JP7708472B2 - Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials - Google Patents
Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materialsInfo
- Publication number
- JP7708472B2 JP7708472B2 JP2024167450A JP2024167450A JP7708472B2 JP 7708472 B2 JP7708472 B2 JP 7708472B2 JP 2024167450 A JP2024167450 A JP 2024167450A JP 2024167450 A JP2024167450 A JP 2024167450A JP 7708472 B2 JP7708472 B2 JP 7708472B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- iron
- magnetic field
- nitrogen
- examples
- mixture
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
- H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
- H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
- H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
- H01F1/04—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
- H01F41/0253—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing permanent magnets
- H01F41/0273—Imparting anisotropy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
- B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
- H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
- H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
- H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
- H01F1/04—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
- H01F1/047—Alloys characterised by their composition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
- H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
- H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
- H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
- H01F1/04—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
- H01F1/06—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
- H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
- H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
- H01F1/032—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
- H01F1/04—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
- H01F1/06—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder
- H01F1/08—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys in the form of particles, e.g. powder pressed, sintered, or bound together
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
- H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
- H01F41/0253—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing permanent magnets
- H01F41/0266—Moulding; Pressing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F7/00—Magnets
- H01F7/02—Permanent magnets [PM]
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
- Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Continuous Casting (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Description
関連出願
本出願は、2015年1月26日に出願された「窒化鉄磁性材料の印加磁場合成及び処理(APPLIED MAGNETIC FIELD SYNTHESIS AND PROCESSING OF IRON NITRIDE MAGNETIC MATERIALS)」という表題の米国仮特許出願第62/107,700号の優先権の利益を主張し、その全内容は引用により本明細書に援用する。
RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/107,700, entitled "APPLIED MAGNETIC FIELD SYNTHESIS AND PROCESSING OF IRON NITRIDE MAGNETIC MATERIALS," filed on January 26, 2015, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
本開示は、窒化鉄磁性材料を形成するための技術に関する。 This disclosure relates to techniques for forming iron nitride magnetic materials.
永久磁石は、例えば、代替エネルギーシステムを含む多くの電気機械システムにおいて役割を果たしている。例えば、永久磁石は、センサー、アクチュエータ、電気モーターまたは発電機に使用されており、これらは、輸送機関、風力タービン及び他の代替エネルギー機構で使用できる。現在使用されている多くの永久磁石は、高エネルギー積をもたらす希土類元素、例えばネオジムなどを含む。これらの希土類元素は比較的供給が不足しており、将来、価格の上昇及び/または供給不足に直面するおそれがある。さらに、希土類元素を含むある種の永久磁石は製造するのに費用がかかる。例えば、NdFeB及びフェライト磁石の製造は、一般的に、材料を粉砕し、材料を圧縮し、1000℃を超える温度で焼結することを含み、これらのすべてが磁石の高い製造コストに寄与する。さらに、希土類の採掘は深刻な環境の悪化を招きうる。 Permanent magnets play a role in many electromechanical systems, including, for example, alternative energy systems. For example, permanent magnets are used in sensors, actuators, electric motors, or generators, which can be used in transportation, wind turbines, and other alternative energy mechanisms. Many permanent magnets currently in use contain rare earth elements, such as neodymium, which provide high energy products. These rare earth elements are in relatively short supply and may face rising prices and/or supply shortages in the future. Additionally, certain permanent magnets containing rare earth elements are expensive to manufacture. For example, the manufacture of NdFeB and ferrite magnets typically involves grinding materials, compressing materials, and sintering at temperatures in excess of 1000° C., all of which contribute to the high manufacturing costs of magnets. Additionally, the mining of rare earth elements can result in significant environmental degradation.
本開示は、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメイン(iron-based phase domain)を含む磁性材料を形成するための技術を記載する。例えば、一軸磁気異方性を含む鉄基相ドメインは、体心正方晶系構造を有する鉄、α”-Fe16N2、α”-Fe16C2、Feまたは他のFe基磁性材料を含んでもよい。本明細書に記載の技術は、印加磁場中で鉄と窒素の混合物をキャスティング(casting)すること、または、複数のワークピースであって、それらのうちの少なくともいくつかが一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースを、当該複数のワークピースを印加磁場に曝しながら統合(consolidating)することのうちの少なくとも1つを含んでもよい。 The present disclosure describes techniques for forming a magnetic material including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy. For example, the iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy may include iron having a body-centered tetragonal structure, α″-Fe 16 N 2 , α″-Fe 16 C 2 , Fe, or other Fe-based magnetic materials. The techniques described herein may include at least one of casting a mixture of iron and nitrogen in an applied magnetic field or consolidating a plurality of workpieces, at least some of which include at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, while exposing the plurality of workpieces to an applied magnetic field.
キャスティング技術の間、窒化鉄結晶は、鉄と窒素を含む溶融混合物から核生成及び成長することがある。キャスティングプロセス中に磁場を印加することによって、所定の配向を有する結晶の成長がエネルギー的に有利であり得るように、窒化鉄結晶の核生成及び成長に影響を及ぼすことができる。例えば、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))な(002)または(004)結晶面を有する窒化鉄結晶は、異なる配向(例えば、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))な(110)、(112)、(202)または(200)結晶面を有する)の窒化鉄結晶よりもエネルギー的に有利であろう。そのため、印加磁場は、複数の窒化鉄結晶のうちの幾つかまたは全ての窒化鉄結晶が同様の結晶配向を有する可能性を高めることができる。実質的に同様の結晶配向を有する複数の窒化鉄結晶を含む材料は、材料の磁気異方性を増加させることができる。 During the casting technique, iron nitride crystals may nucleate and grow from a molten mixture containing iron and nitrogen. By applying a magnetic field during the casting process, the nucleation and growth of the iron nitride crystals may be influenced such that the growth of crystals having a given orientation may be energetically favored. For example, iron nitride crystals having (002) or (004) crystal faces substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field may be more energetically favored than iron nitride crystals having a different orientation (e.g., (110), (112), (202) or (200) crystal faces substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field). Thus, the applied magnetic field may increase the likelihood that some or all of the iron nitride crystals have a similar crystal orientation. A material including a plurality of iron nitride crystals having a substantially similar crystal orientation may increase the magnetic anisotropy of the material.
統合の間、例えばα”-Fe16N2などの一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースの磁化容易軸を実質的に整列(例えば整列またはほぼ整列(例えば完全な整列から約5度以内))させるために、統合される材料に磁場を印加してもよい。磁化容易軸は、磁気モーメントの整列がエネルギー的に有利かつ準安定である鉄基相ドメイン結晶セルの方向である。いくつかの例において、一軸磁気異方性単位胞を含む鉄基相ドメインの磁化容易軸は<001>またはc軸である。いくつかの例において、複数のワークピースは、粉末、粒子、リボン、シート、ワイヤ、または他の幾何学的形状物を含んでもよい。圧縮プロセス中に磁場を印加することによって、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースの磁化容易軸は、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))に整列しうる。これは、統合された磁性材料の磁化方向を定めるのに役立ち、また、統合された磁性材料の磁気異方性を増加させることができる。 During synthesis, e.g. α″-Fe 16 N A magnetic field may be applied to the material being consolidated to substantially align (e.g., align or nearly align (e.g., within about 5 degrees of perfect alignment)) the magnetic easy axes of the plurality of workpieces including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy such as .2. The magnetic easy axis is the direction of the iron-based phase domain crystal cells in which alignment of the magnetic moments is energetically favorable and metastable. In some examples, the magnetic easy axis of the iron-based phase domain including the uniaxial magnetic anisotropy unit cell is the <001> or c-axis. In some examples, the plurality of workpieces may include powders, particles, ribbons, sheets, wires, or other geometric shapes. By applying a magnetic field during the compaction process, the magnetic easy axes of the plurality of workpieces including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy may be aligned substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field. This helps define the magnetization direction of the consolidated magnetic material and can increase the magnetic anisotropy of the consolidated magnetic material.
いくつかの例において、本開示は、印加磁場の存在下で鉄を含む材料をキャスティングして一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する方法を記載する。 In some examples, the present disclosure describes a method that includes casting an iron-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece that includes at least one iron-based phase domain that includes uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
いくつかの例において、本開示は、印加磁場の存在下で、各ワークピースが一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースを圧縮して一軸磁気異方性を含む複数の鉄基相ドメインを含むバルク材料を形成することを含み、印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有し、印加磁場がバルク材料の磁化方向を定める方法を記載する。 In some examples, the present disclosure describes a method that includes compressing a plurality of workpieces, each workpiece including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, in the presence of an applied magnetic field to form a bulk material including a plurality of iron-based phase domains including uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T), the applied magnetic field defining a magnetization direction of the bulk material.
いくつかの例において、本開示は、本明細書に記載の技術のいずれかを実施するように構成された装置を記載する。 In some examples, the present disclosure describes an apparatus configured to implement any of the techniques described herein.
いくつかの例において、本開示は、本明細書に記載の技術のいずれかによって形成されるワークピースを記載する。 In some examples, the present disclosure describes a workpiece formed by any of the techniques described herein.
いくつかの例において、本開示は、本明細書に記載の方法のいずれかによって形成されるバルク材料を記載する。 In some examples, the present disclosure describes bulk materials formed by any of the methods described herein.
いくつかの例において、本開示は、印加磁場の存在下で、ニッケル、鉄及びコバルトのうちの少なくとも1種を含む材料をキャスティングして一軸性磁気異方性を含む少なくとも1つのニッケル、鉄またはコバルトに基づく相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する方法を記載する。 In some examples, the present disclosure describes a method that includes casting a material that includes at least one of nickel, iron, and cobalt in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece that includes at least one nickel-, iron-, or cobalt-based phase domain that includes uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
いくつかの例において、本開示は、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒(iron-based grain)を含むワークピースであって、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、アスペクト比は、異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義される、ワークピースを記載する。最長寸法と最短寸法は実質的に直交していてもよい。 In some examples, the disclosure describes a workpiece including at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension to the length of the shortest dimension of the anisotropic grain. The longest and shortest dimensions may be substantially orthogonal.
いくつかの例において、本開示は、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含むバルク永久磁石であって、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、アスペクト比は、異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義される、バルク永久磁石を記載する。最長寸法と最短寸法は実質的に直交していてもよい。 In some examples, the present disclosure describes bulk permanent magnets that include at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension of the anisotropic grain to the length of the shortest dimension. The longest and shortest dimensions may be substantially orthogonal.
1つまたは複数の例の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。他の特徴、目的及び利点は、当該説明及び図面並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。 The details of one or more examples are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages will become apparent from the description and drawings, and from the claims.
本開示は、本開示の一部を成す添付の図面及び実施例に関連して行われる以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができるであろう。本開示は、本明細書に記載及び/または示される特定のデバイス、方法、アプリケーション、条件、またはパラメータに限定されず、本明細書で使用される用語は特定の例を説明するためのものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。ある範囲の値が表現される場合、別の例は、ある特定の値及び/またはその他の特定の値を含む。同様に、値が接頭辞「約」の使用によって近似値として表される場合、その特定の値が別の例を成すことが理解されるであろう。全ての範囲が包括的であり、組み合わせ可能である。さらに、ある範囲内に記載された値への言及は、その範囲内の各値を含む。 The present disclosure may be more readily understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings and examples, which form a part of this disclosure. The present disclosure is not limited to the specific devices, methods, applications, conditions, or parameters described and/or illustrated herein, and the terms used herein are for the purpose of describing specific examples and are not intended to limit the scope of the claims. When a range of values is expressed, other examples include the one specific value and/or the other specific value. Similarly, when values are expressed as approximations, by use of the prefix "about," it will be understood that the specific value constitutes another example. All ranges are inclusive and combinable. Furthermore, references to values recited within a range include each value within that range.
明確さのために、本明細書において別々の実施例の文脈に記載されている本開示の特定の特徴は、1つの実施例において組み合わせて提供されてもよいことを理解されたい。逆に、簡潔にするために、単一の実施例の文脈に記載されている本開示の様々な特徴は、別々にまたは任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。 It should be understood that certain features of the disclosure that are, for clarity, described herein in the context of separate embodiments, may also be provided in combination in a single embodiment. Conversely, for brevity, various features of the disclosure that are described in the context of a single embodiment may also be provided separately or in any subcombination.
本開示は、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む磁性材料、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むバルク永久磁石、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む磁性材料を形成する技術、及び一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むバルク永久磁石を形成するための技術に関する。一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むバルク永久磁石は、一軸磁気異方性を含む鉄基相ドメインが高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、したがって、高いエネルギー積を有することができるので、希土類元素を含む永久磁石の代替物を提供することができる。一軸磁気異方性を含む鉄基化合物の例は、α”-Fe16N2である。鉄基化合物の他の例としては、体心正方晶系結晶構造を有するもの、例えば歪み鉄などや、鉄とN、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Znなどのうちの少なくとも1種とを含むいくつかの化合物が挙げられる。 The present disclosure relates to magnetic materials including at least one iron-based phase domain with uniaxial magnetic anisotropy, bulk permanent magnets including at least one iron-based phase domain with uniaxial magnetic anisotropy, techniques for forming magnetic materials including at least one iron-based phase domain with uniaxial magnetic anisotropy, and techniques for forming bulk permanent magnets including at least one iron-based phase domain with uniaxial magnetic anisotropy. Bulk permanent magnets including at least one iron-based phase domain with uniaxial magnetic anisotropy can provide an alternative to permanent magnets including rare earth elements, since iron-based phase domains including uniaxial magnetic anisotropy can have high saturation magnetization, high magnetic anisotropy constant, and therefore high energy product. An example of an iron-based compound including uniaxial magnetic anisotropy is α″-Fe 16 N 2. Other examples of iron-based compounds include those having a body-centered tetragonal crystal structure, such as distorted iron, and some compounds including iron and at least one of N, C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Al, Zn, etc.
α”-Fe16N2は、高い飽和磁化、高い磁気異方性定数を有し、従って高いエネルギー積を有する。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は、いくつかの例において、希土類磁石よりも高いことがある磁気エネルギー積をもたらす。本明細書に記載された技術に従って製造されたバルクα”-Fe16N2永久磁石は、当該α”-Fe16N2永久磁石が異方性である場合に、約130MGOeという高いエネルギー積などの望ましい磁気特性を有することができる。α”-Fe16N2磁石が等方的である実施例において、エネルギー積は、約33.5MGOe程度と高いことがある。永久磁石のエネルギー積は、残留保磁力と残留磁化との積に比例する。この永久磁石のエネルギー積は、残留磁化と残留磁化との積に比例する。比較のため、Nd2Fe14B永久磁石のエネルギー積は約60MGOe程度と高いことがある。エネルギー積がより高いほど、センサー、アクチュエータ、モーター、発電機などに使用される場合、永久磁石の効率の向上をもたらすことができる。さらに、Fe16N2相を含む永久磁石は、希土類元素を含まないことがあり、これによって、磁石の材料費を低減し、磁石を製造することによる環境への影響を低減することができる。 α″-Fe 16 N 2 has a high saturation magnetization, a high magnetic anisotropy constant, and therefore a high energy product. The high saturation magnetization and magnetic anisotropy constant result in a magnetic energy product that can be higher than rare earth magnets in some instances. Bulk α″-Fe 16 N 2 permanent magnets produced in accordance with the techniques described herein can have desirable magnetic properties, such as a high energy product of about 130 MGOe when the α″-Fe 16 N 2 permanent magnet is anisotropic. In examples where the α″-Fe 16 N 2 magnet is isotropic, the energy product can be as high as about 33.5 MGOe. The energy product of a permanent magnet is proportional to the product of the remanent coercivity and the remanent magnetization. The energy product of this permanent magnet is proportional to the product of the remanent magnetization and the remanent magnetization. By way of comparison, the energy product of a Nd 2 Fe 14 B permanent magnet can be as high as about 60 MGOe. A higher energy product can result in improved efficiency of the permanent magnet when used in sensors, actuators, motors, generators, etc. Furthermore, permanent magnets including the Fe 16 N 2 phase may be free of rare earth elements, which can reduce the material cost of the magnet and reduce the environmental impact of manufacturing the magnet.
いかなる作用理論にも限定されないが、α”-Fe16N2は窒化鉄の他の安定相と競合する準安定相であると考えられている。したがって、α”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料及びバルク永久磁石を形成することが困難であることがある。本明細書に記載の様々な技術は、Fe16N2窒化鉄相ドメインを含む磁性材料の形成を容易にすることができる。いくつかの例において、この技術は、Fe16N2窒化鉄相ドメインを含む磁性材料を形成するための他の技術と比べて、α”-Fe16N2窒化鉄相ドメインを含む磁性材料を形成するコストを低減し、磁性材料中のα”-Fe16N2窒化鉄相ドメインの体積分率を増加させ、Fe16N2窒化鉄相ドメインを含む磁性材料の大量生産を容易にし、及び/または、Fe16N2窒化鉄相ドメインを含む磁性材料の磁気特性を改善することができる。 Without being limited to any theory of operation, α″-Fe 16 N 2 is believed to be a metastable phase that competes with other stable phases of iron nitride. Thus, it can be difficult to form bulk magnetic materials and bulk permanent magnets that include an α″-Fe 16 N 2 phase domain. Various techniques described herein can facilitate the formation of a magnetic material that includes an Fe 16 N 2 iron nitride phase domain. In some instances, the techniques can reduce the cost of forming a magnetic material that includes an α″-Fe 16 N 2 iron nitride phase domain, increase the volume fraction of the α″-Fe 16 N 2 iron nitride phase domain in the magnetic material, facilitate mass production of a magnetic material that includes an Fe 16 N 2 iron nitride phase domain, and/or improve the magnetic properties of a magnetic material that includes an Fe 16 N 2 iron nitride phase domain, as compared to other techniques for forming a magnetic material that includes an Fe 16 N 2 iron nitride phase domain.
例えばα”-Fe16N2などの一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む本明細書に記載のバルク永久磁石は異方的磁気特性を有し得る。かかる異方的磁気特性は、印加された電場または磁場に対して異なる相対的な向きで異なるエネルギー積、保磁力及び磁化モーメントを有するとして特徴付けられる。したがって、開示するバルク窒化鉄磁石は、様々な用途(例えば、電気モーター)のいずれにおいても、かかる用途に低エネルギー損失及び高エネルギー効率を与えるために使用することができる。 The bulk permanent magnets described herein that include at least one iron-based phase domain that includes uniaxial magnetic anisotropy, such as, for example, α″-Fe 16 N 2, can have anisotropic magnetic properties that are characterized as having different energy products, coercivities, and magnetization moments at different relative orientations with respect to an applied electric or magnetic field. Accordingly, the disclosed bulk iron nitride magnets can be used in any of a variety of applications, such as electric motors, to provide low energy losses and high energy efficiency for such applications.
本開示は、例えば少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインなどの一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む磁性材料を形成するための技術を記載する。本明細書に記載の技術は、印加磁場中で鉄と窒素の混合物をキャスティングすること、または、その少なくともいくつかが一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメイン、例えば少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む複数のワークピースを、当該複数のワークピースを印加磁場に曝しながら統合することのうちの少なくとも1つを含むことができる。 The present disclosure describes techniques for forming a magnetic material including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, such as at least one α″-Fe 16 N 2 -phase domain. The techniques described herein can include at least one of casting a mixture of iron and nitrogen in an applied magnetic field or consolidating a plurality of workpieces including at least one iron-based phase domain, at least some of which include uniaxial magnetic anisotropy, such as at least one α″-Fe 16 N 2 -phase domain, while exposing the plurality of workpieces to an applied magnetic field.
キャスティング技術の間、窒化鉄結晶は、鉄と窒素を含む溶融混合物から核生成及び成長することがある。キャスティングプロセス中に磁場を印加することによって、所定の配向を有する結晶の成長がエネルギー的に有利であり得るように、窒化鉄の結晶の核生成及び成長に影響を及ぼすことができる。例えば、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))な(002)または(004)結晶面を有する窒化鉄結晶は、異なる配向(例えば、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))な(110)、(112)、(202)または(200)結晶面を有する)の窒化鉄結晶よりもエネルギー的に有利であろう。そのため、印加磁場は、複数の窒化鉄結晶のうちの幾つかまたは全ての窒化鉄結晶が同様の結晶配向を有する可能性を高めることができる。実質的に同様の結晶配向を有する複数の窒化鉄結晶を含む材料は、材料の磁気異方性を増加させることができる。 During the casting technique, iron nitride crystals may nucleate and grow from a molten mixture containing iron and nitrogen. By applying a magnetic field during the casting process, the nucleation and growth of the iron nitride crystals may be influenced such that the growth of crystals having a given orientation may be energetically favored. For example, iron nitride crystals having (002) or (004) crystal faces substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field may be energetically favored over iron nitride crystals having a different orientation (e.g., (110), (112), (202) or (200) crystal faces substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field). Thus, the applied magnetic field may increase the likelihood that some or all of the iron nitride crystals have a similar crystal orientation. A material including a plurality of iron nitride crystals having a substantially similar crystal orientation may increase the magnetic anisotropy of the material.
いくつかの例において、一軸磁気異方性を有することに加えて、キャスティング技術は、異方的形状を示す少なくとも1つの窒化鉄結晶または結晶粒を形成することができる。少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒は、約1.1~約50、例えば約1.4~約50、もしくは2.2~約50、または約5~約50などのアスペクト比を示すことができる。本明細書では、アスペクト比は、異方性結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、ここで、最短寸法は、最長寸法に対して実質的に直交する方向(例えば直交またはほぼ直交(例えば直交から約5度以内))で測定される。いくつかの例において、少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の最長寸法は、印加磁場の方向に対して、したがって、一軸磁気異方性の方向に対して、実質的に平行(例えば、平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である。同様に、少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の最長寸法は、異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の磁気結晶異方性の容易軸に対して平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))であることができる。例えば、体心正方晶(bct)Fe16N2及びFeの場合、(002)組織は、結晶または結晶粒の最長寸法に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である。このように、異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒が有する形状異方性は、材料の磁気異方性に寄与し得る。他の例において、(bc)Fe16N2の場合、(002)組織は、結晶または結晶粒の最短寸法に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))であり得る。 In some instances, in addition to having uniaxial magnetic anisotropy, the casting technique can form at least one iron nitride crystal or grain that exhibits an anisotropic shape. The at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can exhibit an aspect ratio of about 1.1 to about 50, such as about 1.4 to about 50, or 2.2 to about 50, or about 5 to about 50, or such as about 5 to about 50. As used herein, aspect ratio is defined as the ratio of the length of the longest dimension to the length of the shortest dimension of the anisotropic grain, where the shortest dimension is measured in a direction that is substantially perpendicular (e.g., perpendicular or nearly perpendicular (e.g., within about 5 degrees of perpendicular)) to the longest dimension. In some instances, the longest dimension of the at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field, and thus to the direction of the uniaxial magnetic anisotropy. Similarly, the longest dimension of at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can be parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the easy axis of the magnetocrystalline anisotropy of the anisotropically shaped iron nitride crystal or grain. For example, for body-centered tetragonal (bct) Fe 16 N 2 and Fe, the (002) texture is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the longest dimension of the crystal or grain. In this manner, the shape anisotropy possessed by the anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can contribute to the magnetic anisotropy of the material. In another example, for (bc)Fe 16 N 2 , the (002) texture can be substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the shortest dimension of the crystal or grain.
統合の間、例えばα”-Fe16N2などの一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースの磁化容易軸を実質的に(例えば整列またはほぼ整列(例えば完全な整列から約5度以内))させるために、統合される材料に磁場を印加してもよい。磁化容易軸は、磁気モーメントの整列がエネルギー的に有利かつ準安定である結晶セルの方向である。いくつかの例において、一軸磁気異方性を含む鉄基相ドメインの単位胞の磁化容易軸は<001>またはc軸である。いくつかの例において、複数のワークピースは、粉末、粒子、リボン、シート、ワイヤ、または他の幾何学的形状物を含んでもよい。圧縮プロセス中に磁場を印加することによって、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースの磁化容易軸は、印加磁場の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))に整列しうる。これは、統合された磁性材料の磁化方向を定めるのに役立ち、また、統合された磁性材料の磁気異方性を増加させることができる。 During consolidation, a magnetic field may be applied to the material being consolidated to substantially (e.g., aligned or nearly aligned (e.g., within about 5 degrees of perfect alignment)) the magnetic easy axes of the plurality of workpieces including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, such as α″-Fe 16 N 2 . The magnetic easy axis is the direction of a crystal cell in which alignment of magnetic moments is energetically favorable and metastable. In some examples, the magnetic easy axis of a unit cell of an iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy is the <001> or c-axis. In some examples, the plurality of workpieces may include powders, particles, ribbons, sheets, wires, or other geometric shapes. By applying a magnetic field during the compaction process, the magnetic easy axes of the plurality of workpieces including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy may be aligned substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field. This helps define the magnetization direction of the consolidated magnetic material and can increase the magnetic anisotropy of the consolidated magnetic material.
いくつかの例において、キャスティング及び統合技術は、一軸磁気異方性α”-Fe16N2相ドメインを含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むバルク磁性材料を形成するための大規模技術の一部として併用することができる。いくつかの例において、この大規模技術は、例えば、キャスティングされた磁性材料の急冷、急冷された磁性材料のアニールなどを含む追加の工程を含むことができる。いくつかの例において、これらの他のステップの少なくとも一部の間に外部磁場を印加して、一軸磁気異方性α”-Fe16N2相ドメインを含む少なくとも1つの鉄基相ドメインの形成を促進することができる。例えば、アニール工程中に磁場を印加して、材料中に一軸磁気異方性α”-Fe16N2相ドメインを含む少なくとも1つの鉄基相ドメインの形成を容易にすることができる。以下の説明では、主に、α”-Fe16N2などの窒化鉄材料を説明するが、当業者であれば、以下の説明が、一軸磁気異方性を含む他の鉄基材料、例えば、歪み鉄、または、N、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Znなどのうちの少なくとも1種を含み、体心正方晶系構造を有する鉄基材料(iron-based materials)にも当てはまることを理解するであろう。 In some examples, the casting and consolidation techniques can be used together as part of a larger scale technique to form a bulk magnetic material comprising at least one iron-based phase domain comprising a uniaxial magnetic anisotropy α″-Fe 16 N 2 -phase domain. In some examples, this larger scale technique can include additional steps including, for example, quenching the cast magnetic material, annealing the quenched magnetic material, etc. In some examples, an external magnetic field can be applied during at least a portion of these other steps to promote the formation of at least one iron-based phase domain comprising a uniaxial magnetic anisotropy α″-Fe 16 N 2 -phase domain. For example, a magnetic field may be applied during the annealing step to facilitate the formation of at least one iron-based phase domain, including a uniaxial magnetic anisotropy α″-Fe 16 N 2 phase domain, in the material. The following description primarily describes iron nitride materials such as α″-Fe 16 N 2 , but one of ordinary skill in the art will appreciate that the following description also applies to other iron-based materials that include uniaxial magnetic anisotropy, such as distorted iron or iron-based materials that include at least one of N, C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Al, Zn, etc., and have a body-centered tetragonal structure.
図1は、印加磁場の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングするための例示的技術を示す流れ図である。図1の技術は、鉄と窒素を含む溶融混合物を形成すること(12)を含む。溶融混合物は、多くの技術のうちの任意の1つを使用して形成することができる。例えば、鉄と窒素を含む固体材料を最初に形成し、次に、鉄と窒素を含む固体材料を溶融させて鉄と窒素を含む溶融混合物を形成することができる。他の例として、溶融鉄を窒素源と混合して、鉄と窒素を含む溶融混合物を形成することができる。 FIG. 1 is a flow diagram illustrating an exemplary technique for casting a material comprising iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field. The technique of FIG. 1 includes forming a molten mixture comprising iron and nitrogen (12). The molten mixture can be formed using any one of a number of techniques. For example, a solid material comprising iron and nitrogen can be first formed, and then the solid material comprising iron and nitrogen can be melted to form the molten mixture comprising iron and nitrogen. As another example, molten iron can be mixed with a nitrogen source to form the molten mixture comprising iron and nitrogen.
鉄と窒素を含む固体材料を形成するための例示的技術は、鉄含有ワークピースを窒化することを含む。鉄含有ワークピースとしては、例えば、粉末、粒子、リボン、シート、ワイヤ、または他の幾何学的形状物が挙げられる。いくつかの例において、鉄含有ワークピースを窒化することは、鉄含有ワークピースの実質的に全体にわたって所定の濃度に窒素を拡散させるのに十分な時間、鉄含有ワークピースを加熱することを含むことができる。このように、加熱時間及び温度は関連しており、鉄含有ワークピースの組成及び/または幾何学的形状によっても影響され得る。例えば、鉄ワイヤまたはシート28を、約125℃~約600℃の温度に約2時間~約9時間加熱してもよい。 An exemplary technique for forming a solid material containing iron and nitrogen includes nitriding an iron-containing workpiece. The iron-containing workpiece may be, for example, a powder, particle, ribbon, sheet, wire, or other geometric shape. In some examples, nitriding the iron-containing workpiece may include heating the iron-containing workpiece for a time sufficient to diffuse nitrogen to a predetermined concentration substantially throughout the iron-containing workpiece. Thus, the heating time and temperature are related and may also be influenced by the composition and/or geometry of the iron-containing workpiece. For example, iron wire or sheet 28 may be heated to a temperature of about 125° C. to about 600° C. for about 2 hours to about 9 hours.
鉄含有ワークピースを加熱することに加えて、鉄含有ワークピースを窒化するステップは、鉄含有ワークピースを、鉄含有ワークピース中に拡散する原子状窒素物質(atomic nitrogen substance)に鉄含有ワークピースを曝すことを含む。いくつかの例において、原子状窒素物質は、二原子窒素(N2)として供給され、これは、その後、個々の窒素原子に分離(分解)される。他の例において、原子状窒素は、例えばアンモニア(NH3)などの他の原子状窒素前駆体から供給されてもよい。他の例において、原子状窒素は、尿素(CO(NH2)2)から供給されてもよい。窒素は、気相のみ(例えば、実質的に純粋なアンモニアまたは二原子窒素ガス)で、またはキャリアガスとの混合物として供給されてもよい。いくつかの例において、キャリアガスはアルゴン(Ar)である。 In addition to heating the iron-containing workpiece, nitriding the iron-containing workpiece includes exposing the iron-containing workpiece to an atomic nitrogen substance that diffuses into the iron-containing workpiece. In some examples, the atomic nitrogen substance is provided as diatomic nitrogen ( N2 ), which is then dissociated (decomposed) into individual nitrogen atoms. In other examples, the atomic nitrogen may be provided from other atomic nitrogen precursors, such as ammonia ( NH3 ). In other examples, the atomic nitrogen may be provided from urea (CO( NH2 ) 2 ). The nitrogen may be provided in the gas phase alone (e.g., substantially pure ammonia or diatomic nitrogen gas) or as a mixture with a carrier gas. In some examples, the carrier gas is argon (Ar).
いくつかの例において、鉄含有ワークピースを窒化することは、尿素が窒素源(例えば、二原子窒素またはアンモニアではなく)として利用される尿素拡散プロセスを含んでもよい。尿素(カルバミドとも呼ばれる)は、化学式CO(NH2)2を有する有機化合物である。鉄含有ワークピースを窒化するために、尿素を、例えば鉄含有ワークピースを囲む炉内で加熱して、鉄含有ワークピース中に拡散しうる分解窒素原子を発生させることができる。さらに後述するように、得られる窒化鉄材料の構成は、拡散プロセスの温度、及び当該プロセスのために使用される尿素に対する鉄含有ワークピースの比(例えば、質量比)によりある程度制御することができる。これらの窒化プロセス(尿素拡散を含む)に関するさらなる詳細は、2012年8月17日に出願された国際特許出願第PCT/US12/51382号に見ることができ、その全内容は引用により本明細書に援用する。 In some examples, nitriding the iron-containing workpiece may include a urea diffusion process in which urea is utilized as the nitrogen source (e.g., rather than diatomic nitrogen or ammonia). Urea (also called carbamide) is an organic compound having the chemical formula CO( NH2 ) 2 . To nitride the iron-containing workpiece, urea can be heated, for example, in a furnace surrounding the iron-containing workpiece to generate decomposed nitrogen atoms that can diffuse into the iron-containing workpiece. As described further below, the composition of the resulting iron nitride material can be controlled to some extent by the temperature of the diffusion process and the ratio (e.g., mass ratio) of iron-containing workpiece to urea used for the process. Further details regarding these nitriding processes (including urea diffusion) can be found in International Patent Application No. PCT/US12/51382, filed August 17, 2012, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
鉄と窒素を含む固体材料を形成する別の例として、窒素源、例えばガス状窒素源などからのプラズマ、例えばRFプラズマまたはDCプラズマなどを使用して、窒素を生成させてもよい。鉄含有ワークピースは、例えばプラズマチャンバなどのプラズマ環境中に置かれ、プラズマプロセスにより生成された窒素原子は、鉄含有ワークピース中に注入され、鉄含有ワークピース中に拡散することができる。 As another example of forming a solid material containing iron and nitrogen, nitrogen may be generated using a plasma, such as an RF plasma or a DC plasma, from a nitrogen source, such as a gaseous nitrogen source. The iron-containing workpiece is placed in a plasma environment, such as a plasma chamber, and nitrogen atoms generated by the plasma process are implanted into and allowed to diffuse into the iron-containing workpiece.
鉄と窒素を含む固体材料を形成する別の例として、イオン注入を使用して鉄含有ワークピース中に窒素原子を注入することができる。例えば、鉄含有ワークピースは箔であってもよい。箔は、数百ナノメートル乃至数ミリメートルのオーダーの厚さを示すことができる。いくつかの例において、箔は、約500ナノメートル(nm)~約1ミリメートル(mm)の厚さを示すことができる。箔の厚さは、後述するように、箔のイオン注入及びアニールに使用されるパラメータに影響を及ぼすことがある。箔の厚さは、箔が取り付けられている基材の表面に対して、実質的に垂直な方向(例えば垂直またはほぼ垂直(例えば垂直から約5度以内など))で測定することができる。 As another example of forming a solid material containing iron and nitrogen, ion implantation can be used to implant nitrogen atoms into an iron-containing workpiece. For example, the iron-containing workpiece can be a foil. The foil can exhibit a thickness on the order of hundreds of nanometers to several millimeters. In some examples, the foil can exhibit a thickness of about 500 nanometers (nm) to about 1 millimeter (mm). The thickness of the foil can affect the parameters used to ion implant and anneal the foil, as described below. The thickness of the foil can be measured in a direction substantially perpendicular (e.g., perpendicular or nearly perpendicular (e.g., within about 5 degrees of perpendicular)) to the surface of the substrate to which the foil is attached.
鉄含有ワークピース中にN+イオンが注入される平均深さは、N+イオンが加速されるエネルギーに依存し得る。一般的に、N+イオンの平均注入深さは、注入エネルギーの増加と共に増加し得る。 The average depth to which N+ ions are implanted into an iron-containing workpiece may depend on the energy to which the N+ ions are accelerated. In general, the average implantation depth of the N+ ions may increase with increasing implantation energy.
N+イオンを注入するのに使用される注入エネルギーは、鉄含有ワークピースの厚さに少なくとも部分的に基づいて選択することができる。注入エネルギーは、鉄含有ワークピース中の鉄結晶の結晶格子を含む、鉄含有ワークピースに、過度に大きな損傷を与えることなく、N+イオンを注入するように選択することもできる。例えば、より高い注入エネルギーは、より大きな平均深さでN+イオンの注入を可能にし得るが、より高い注入エネルギーは、N+イオンの衝撃のために、鉄結晶の結晶格子を損傷し、鉄原子の一部をアブレートすることを含む、鉄ワークピースへの損傷を増加させうる。したがって、いくつかの例において、注入エネルギーは、約180keV未満に制限されてもよい。いくつかの例において、注入の入射角は、約0度(例えば鉄ワークピースの表面に対して実質的に垂直(例えば平行またはほぼ垂直(例えば垂直から約5度以内など)))であってもよい。他の例において、注入の入射角を調整して格子損傷を低減することができる。例えば、注入の入射角は、垂直から約3°~約7°であることができる。 The implantation energy used to implant the N+ ions can be selected based at least in part on the thickness of the iron-containing workpiece. The implantation energy can also be selected to implant the N+ ions without causing excessive damage to the iron-containing workpiece, including the crystal lattice of the iron crystals in the iron-containing workpiece. For example, a higher implantation energy can allow for implantation of the N+ ions at a greater average depth, but the higher implantation energy can increase damage to the iron workpiece, including damaging the crystal lattice of the iron crystals and ablating some of the iron atoms due to the bombardment of the N+ ions. Thus, in some examples, the implantation energy can be limited to less than about 180 keV. In some examples, the incidence angle of the implantation can be about 0 degrees (e.g., substantially normal (e.g., parallel or near normal (e.g., within about 5 degrees of normal)) to the surface of the iron workpiece). In other examples, the incidence angle of the implantation can be adjusted to reduce lattice damage. For example, the incidence angle of the implantation can be about 3° to about 7° from normal.
一例として、鉄含有ワークピースが約500nmの厚さを示す場合、鉄含有ワークピースにN+イオンを注入するために約100keVの注入エネルギーを使用することができる。他の厚さの鉄含有ワークピースにN+イオンを注入するために、約100keVの注入エネルギーを使用することもできる。他の例において、約500nmの厚さを示す鉄含有ワークピースに対して異なる注入エネルギーを使用することができ、500nmとは異なる厚さを示す鉄含有ワークピースに対して同じまたは異なる注入エネルギーを使用することができる。 As an example, if the iron-containing workpiece exhibits a thickness of about 500 nm, an implant energy of about 100 keV can be used to implant N+ ions into the iron-containing workpiece. An implant energy of about 100 keV can also be used to implant N+ ions into iron-containing workpieces of other thicknesses. In other examples, different implant energies can be used for iron-containing workpieces exhibiting a thickness of about 500 nm, and the same or different implant energies can be used for iron-containing workpieces exhibiting thicknesses different from 500 nm.
さらに、N+イオンの流動性は、鉄含有ワークピース中に所望の量のN+イオンを注入するように選択することができる。いくつかの例において、N+イオンの流動性は、鉄含有ワークピース中にほぼ化学量論的数のN+イオンを注入するように選択することができる。Fe16N2中の鉄対窒素の化学量論比は8:1である。したがって、鉄含有ワークピース中の鉄原子のおおよその数を決定することができ、鉄原子の約1/8(12.5%)に等しい数、例えば約8原子%~約15原子%のN+イオンを鉄含有ワークピース中に注入することができる。例えば、約1cm×1cm×500nmの寸法を有する鉄含有ワークピースは、約4.23×1018個の鉄原子を含むことができる。したがって、鉄含有ワークピース内の鉄原子対N+イオンの化学量論比を達成するために、約5.28×1017個のN+イオンを試料に注入することができる。 Further, the flow rate of the N+ ions can be selected to implant a desired amount of N+ ions into the iron-containing workpiece. In some examples, the flow rate of the N+ ions can be selected to implant an approximately stoichiometric number of N+ ions into the iron-containing workpiece. The stoichiometric ratio of iron to nitrogen in Fe 16 N 2 is 8:1. Thus, the approximate number of iron atoms in the iron-containing workpiece can be determined, and a number of N+ ions equal to about ⅛ (12.5%) of the iron atoms, such as about 8 atomic % to about 15 atomic %, can be implanted into the iron-containing workpiece. For example, an iron-containing workpiece having dimensions of about 1 cm×1 cm×500 nm can contain about 4.23×10 18 iron atoms. Thus, to achieve a stoichiometric ratio of iron atoms to N+ ions in the iron-containing workpiece, about 5.28×10 17 N+ ions can be implanted into the sample.
イオン注入の間の鉄含有ワークピースの温度も制御することができる。いくつかの例において、鉄含有ワークピースの温度は、ほぼ室温~約500℃であることができる。鉄含有ワークピース中へのN+イオンのイオン注入に関するさらなる詳細は、2014年2月6日に出願された国際出願第PCT/US14/15104号に見ることができ、その全内容を引用により本明細書に援用する。 The temperature of the iron-containing workpiece during ion implantation can also be controlled. In some examples, the temperature of the iron-containing workpiece can be from about room temperature to about 500° C. Further details regarding the implantation of N+ ions into the iron-containing workpiece can be found in International Application No. PCT/US14/15104, filed February 6, 2014, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
鉄と窒素を含む固体材料を形成するための別の例の技術は、窒素源の存在下で、例えば粉末などの鉄含有材料を粉砕することを含む。鉄含有材料を粉砕するために使用される粉砕装置としては、圧延モード、攪拌モードまたは振動モードの粉砕装置が挙げられる。粉砕装置としては、鉄含有物質、窒素源及び粉砕媒体を封入するビンが挙げられる。 Another example technique for forming a solid material containing iron and nitrogen includes grinding an iron-containing material, such as a powder, in the presence of a nitrogen source. Grinding equipment used to grind the iron-containing material includes rolling, stirring, or vibration mode grinding equipment. Grinding equipment includes a bin that encloses the iron-containing material, the nitrogen source, and grinding media.
粉砕媒体としては、例えば粉砕球が挙げられる。粉砕媒体は、鉄含有材料に十分な力で接触すると鉄含有材料を摩耗させて、鉄含有材料の粒子を平均してより小さなサイズにするのに十分な硬質材料を含むことができる。いくつかの例において、粉砕媒体は、鋼、ステンレス鋼などで形成されたものであることができる。いくつかの例において、粉砕媒体が形成される材料は、鉄含有材料及び/または窒素源と化学的に反応しない。 Grinding media can include, for example, grinding balls. The grinding media can include a material that is hard enough to wear down the iron-containing material when it contacts the iron-containing material with sufficient force, reducing the particles of the iron-containing material to a smaller average size. In some examples, the grinding media can be formed of steel, stainless steel, and the like. In some examples, the material from which the grinding media is formed does not chemically react with the iron-containing material and/or the nitrogen source.
鉄含有材料は、例えば原子状鉄、酸化鉄、塩化鉄などを含む任意の材料を含んでもよい。いくつかの例において、鉄含有材料は、実質的に純粋な鉄(例えば約10原子パーセント(at.%)未満のドーパントまたは不純物を含む鉄)を含んでもよい。いくつかの例において、ドーパントまたは不純物は、酸素または酸化鉄を含んでもよい。 The iron-containing material may include any material containing, for example, atomic iron, iron oxide, iron chloride, etc. In some examples, the iron-containing material may include substantially pure iron (e.g., iron containing less than about 10 atomic percent (at.%) of a dopant or impurity). In some examples, the dopant or impurity may include oxygen or iron oxide.
窒素源は、硝酸アンモニウム(NH4NO3)、または、アミド含有物質、例えば液体アミドまたはアミドを含む溶液、またはヒドラジンまたはヒドラジンを含む溶液などを含み得る。アミドはC-N-H結合を含み、ヒドラジンはN-N結合を含む。硝酸アンモニウム、アミド及びヒドラジンは、窒化鉄を含む粉末を形成するための窒素供与体としての役割を果たす。例のアミドにとしては、カルバミド((NH2)2CO;尿素とも呼ばれる)、メタンアミド、ベンズアミド、及びアセトアミドが含まれるが、任意のアミドを使用することができる。いくつかの例において、アミドはカルボン酸のヒドロキシル基をアミン基で置換することによってカルボン酸から誘導することができる。このタイプのアミドは、酸アミドと呼ぶことができる。 The nitrogen source may include ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ) or an amide-containing material, such as a liquid amide or a solution containing an amide, or hydrazine or a solution containing hydrazine. Amides contain a C-N-H bond and hydrazine contains an N-N bond. Ammonium nitrate, amides and hydrazines act as nitrogen donors to form powders containing iron nitride. Example amides include carbamide ((NH 2 ) 2 CO; also known as urea), methanamide, benzamide, and acetamide, although any amide may be used. In some instances, amides may be derived from carboxylic acids by replacing the hydroxyl group of the carboxylic acid with an amine group. This type of amide may be referred to as an acid amide.
いくつかの例において、粉砕装置のビンも触媒を封入することができる。触媒としては、例えばコバルト(Co)粒子及び/またはニッケル(i)粒子が挙げられる。触媒は、鉄含有材料の窒化を触媒する。Co触媒を使用して鉄を窒化するための1つの可能な概念化した反応経路が、以下の反応1~3に示されている。触媒としてNiを使用する場合、同様の反応経路に従うことができる。 In some instances, the grinding machine bin can also contain a catalyst. The catalyst can include, for example, cobalt (Co) particles and/or nickel (I) particles. The catalyst catalyzes the nitridation of iron-containing materials. One possible conceptualized reaction pathway for nitriding iron using a Co catalyst is shown below in reactions 1-3. A similar reaction pathway can be followed when using Ni as the catalyst.
したがって、十分なアミド及び触媒22を混合することによって、鉄含有原料18を窒化鉄含有材料に変換することができる。鉄と窒素を含む固体材料を形成するために窒素源の存在下で鉄含有材料を粉砕することに関する更なる詳細は、2014年6月24日に出願された国際出願第PCT/US14/43902号に見出すことができ、参照により本明細書に組み込まれる。 Thus, by mixing sufficient amide and catalyst 22, the iron-containing feedstock 18 can be converted to an iron nitride-containing material. Further details regarding grinding an iron-containing material in the presence of a nitrogen source to form a solid material containing iron and nitrogen can be found in International Application No. PCT/US14/43902, filed June 24, 2014, which is incorporated herein by reference.
鉄と窒素を含む固体材料が形成される技術に関係なく、鉄と窒素を含む固体材料は、約8:1の鉄対窒素原子比を含むことができる。例えば、混合物は、約8原子パーセント(at.%)~約15at.%の窒素を含んで、残りは、鉄、他の元素及びドーパントであってもよい。別の例として、混合物は、約10at.%~約13at.%の窒素、または約11.1at.%の窒素を含んでもよい。 Regardless of the technique by which the iron and nitrogen containing solid material is formed, the iron and nitrogen containing solid material can include an iron to nitrogen atomic ratio of about 8:1. For example, the mixture can include about 8 atomic percent (at.%) to about 15 at.% nitrogen, with the remainder being iron, other elements, and dopants. As another example, the mixture can include about 10 at.% to about 13 at.% nitrogen, or about 11.1 at.% nitrogen.
いくつかの例において、鉄と窒素を含む混合物は、鉄及び/または窒素に加えて、少なくとも1種の窒化鉄、例えばFeN、Fe2N(例えばξ-Fe2N)、Fe3N(例えばε-Fe3N)、Fe4N(例えばγ’-Fe4N及び/またはγ-Fe4N)、Fe2N6、Fe8N、Fe16N2、またはFeNx(ここで、xは約0.05~約0.5である)を含んでもよい。いくつかの例において、鉄と窒素を含む混合物は、少なくとも92原子パーセント(at.%)の純度(例えば、集合的な鉄と窒素の含有量)を有し得る。 In some examples, the iron and nitrogen containing mixture may include, in addition to iron and/or nitrogen, at least one iron nitride, such as FeN, Fe 2 N (e.g., ξ-Fe 2 N), Fe 3 N (e.g., ε-Fe 3 N), Fe 4 N (e.g., γ'-Fe 4 N and/or γ-Fe 4 N), Fe 2 N 6 , Fe 8 N, Fe 16 N 2 , or FeN x (where x is from about 0.05 to about 0.5). In some examples, the iron and nitrogen containing mixture may have a purity (e.g., collective iron and nitrogen content) of at least 92 atomic percent (at.%).
いくつかの例において、鉄と窒素を含む混合物は、強磁性または非磁性ドーパント及び/または相安定剤などの少なくとも1種のドーパントを含むことができる。いくつかの例において、少なくとも1種の強磁性または非磁性のドーパントを強磁性または非磁性不純物と呼ぶことができ、及び/または相安定化剤を相安定化不純物と呼ぶことができる。強磁性または非磁性のドーパントを使用して、鉄と窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力または熱安定性の少なくとも1つを増加させることができる。強磁性または非磁性のドーパントの例としては、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ca、Pt、Au、Sm、C、Pb、W、Ga、Y、Mg、Hf及びTaからなる群から選択される。例えば、少なくとも1つのFe16N2相ドメインを含む窒化鉄材料中にMnドーパント原子を約5at.%~約15at.%のレベルで含めることによって、Mnドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、当該Fe16N2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。いくつかの例において、鉄と窒素を含む2つ以上の(例えば、少なくとも2つの)強磁性または非磁性ドーパントが混合物中に含まれてもよい。いくつかの例において、強磁性または非磁性ドーパントは、磁壁ピンニングサイトとして機能し、鉄と窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。表1は、鉄と窒素を含む混合物中の強磁性または非磁性のドーパント濃度の例を含む。 In some examples, the mixture containing iron and nitrogen can include at least one dopant, such as a ferromagnetic or non-magnetic dopant and/or a phase stabilizer. In some examples, the at least one ferromagnetic or non-magnetic dopant can be referred to as a ferromagnetic or non-magnetic impurity and/or the phase stabilizer can be referred to as a phase stabilizing impurity. The ferromagnetic or non-magnetic dopant can be used to increase at least one of the magnetic moment, coercivity, or thermal stability of the magnetic material formed from the mixture containing iron and nitrogen. Examples of ferromagnetic or non-magnetic dopants are selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ca, Pt, Au, Sm, C, Pb, W, Ga, Y, Mg, Hf, and Ta. For example, the inclusion of Mn dopant atoms at a level of about 5 at.% to about 15 at.% in an iron nitride material including at least one Fe 16 N 2 -phase domain can improve the thermal stability of the Fe 16 N 2 -phase domain and the coercivity of the material as compared to an iron nitride material that does not include Mn dopant atoms. In some examples, two or more (e.g., at least two) ferromagnetic or non-magnetic dopants including iron and nitrogen can be included in the mixture. In some examples, the ferromagnetic or non-magnetic dopants can function as domain wall pinning sites and improve the coercivity of a magnetic material formed from a mixture including iron and nitrogen. Table 1 includes examples of ferromagnetic or non-magnetic dopant concentrations in a mixture including iron and nitrogen.
代替的または追加的に、鉄と窒素を含む混合物は、少なくとも1種の相安定剤を含んでもよい。少なくとも1種の相安定剤は、Fe16N2体積比、熱安定性、保磁力及び耐侵食性のうちの少なくとも1つを改善するように選択された元素であってもよい。混合物中に存在する場合、少なくとも1種の相安定剤は、鉄と窒素を含む混合物中に、約0.1at.%~約15at.%の濃度で存在してよい。混合物中に少なくとも2つの相安定剤が存在するいくつかの例において、少なくとも2つの相安定剤の総濃度は、約0.1at.%~約15at.%であることができる。少なくとも1種の相安定剤としては、例えば、B、Al、C、Si、P、O、Co、Cr、Mn及び/またはSが挙げられる。例えば、少なくとも1つのFe16N2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約5at.%~約15at.%のレベルでMnドーパント原子を含めることによって、Mnドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Fe16N2相ドメインの熱安定性及び材料の磁気保磁力を改善することができる。 Alternatively or additionally, the mixture containing iron and nitrogen may include at least one phase stabilizer. The at least one phase stabilizer may be an element selected to improve at least one of the Fe 16 N 2 volume ratio, thermal stability, coercivity, and erosion resistance. When present in the mixture, the at least one phase stabilizer may be present in the mixture containing iron and nitrogen at a concentration of about 0.1 at.% to about 15 at.%. In some examples where at least two phase stabilizers are present in the mixture, the total concentration of the at least two phase stabilizers may be about 0.1 at.% to about 15 at.%. The at least one phase stabilizer may include, for example, B, Al, C, Si, P, O, Co, Cr, Mn, and/or S. For example, the inclusion of Mn dopant atoms at a level of about 5 at.% to about 15 at.% in an iron nitride material containing at least one Fe 16 N 2 -phase domain can improve the thermal stability of the Fe 16 N 2 -phase domain and the magnetic coercivity of the material as compared to an iron nitride material that does not contain the Mn dopant atoms.
あるいは、鉄と窒素を含む固体材料を形成する代わりに、窒素源を溶融鉄と混合して、鉄と窒素を含む溶融混合物を形成してもよい。窒素源と溶融鉄とを混合することに関するさらなる詳細は、図5に関して以下で例示及び説明する。 Alternatively, instead of forming a solid material containing iron and nitrogen, a nitrogen source may be mixed with the molten iron to form a molten mixture containing iron and nitrogen. Further details regarding mixing the nitrogen source with the molten iron are illustrated and described below with respect to FIG. 5.
いくつかの例において、鉄と窒素を含む溶融材料(12)を形成する代わりに、図1の技術は、鉄のみを含む溶融材料を形成すること、または、鉄とN、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Znなどのうちの少なくとも1種とを含む溶融材料であって、当該材料の少なくともいくらかがキャスティングによって体心正方晶系構造を形成するような相対的割合で鉄とN、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Al、Znなどのうちの少なくとも1種とを含む溶融材料を形成することを含んでもよい。 In some examples, instead of forming a molten material (12) that includes iron and nitrogen, the technique of FIG. 1 may include forming a molten material that includes only iron, or forming a molten material that includes iron and at least one of N, C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Al, Zn, etc., in relative proportions such that at least some of the material forms a body-centered tetragonal structure upon casting.
図1の技術は、図1には、印加磁場(14)の存在下で、鉄と窒素を含む材料をキャスティングすることも含む。また、図2~4は、印加磁場の存在下で、鉄と窒素を含む材料をキャスティングするために使用することのできる例示的装置を示す。 The technique of FIG. 1 also includes casting a material containing iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field (14). Also, FIGS. 2-4 show an exemplary apparatus that can be used to cast a material containing iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field.
図2は、RF炉22、るつぼ26、及び任意選択の急冷媒体28を利用して鉄と窒素を含む混合物にキャスティング技術を行う例示的システム20を示す概念図である。システム20は、るつぼ26を取り囲むRF炉22を含む。るつぼは、鉄と窒素を含む混合物の加熱中のRF炉22内の温度で熱的に安定な材料で形成されてもよい。例えば、るつぼ26は、1又は2種以上の耐火材料、例えばグラファイト、耐火セラミックなどを含むことができる。 2 is a conceptual diagram illustrating an exemplary system 20 for performing a casting technique on an iron-nitrogen containing mixture utilizing an RF furnace 22, a crucible 26, and an optional quenching medium 28. The system 20 includes an RF furnace 22 that surrounds a crucible 26. The crucible may be formed of a material that is thermally stable at temperatures within the RF furnace 22 during heating of the iron-nitrogen containing mixture. For example, the crucible 26 may include one or more refractory materials, such as graphite, refractory ceramics, etc.
RF炉22は、RF磁場を生成し、少なくともるつぼ26内の鉄と窒素を含む混合物を加熱するために使用される複数のコイルとして、図2に示すRF源24も含む。いくつかの例において、RF源24は、いくつかの例において約13.56GHzまたは約900MHzの周波数を有するRFエネルギーを生成することができる。RF源24は、直接的に、鉄と窒素を含む混合物を誘導加熱するか、または、RF炉22内の構造体(例えば、るつぼ26)を加熱し、次いで鉄と窒素を含む混合物を加熱することによって、鉄と窒素を含む混合物を誘導加熱することができる。鉄と窒素を含む溶融混合物を形成するために、鉄と窒素を含む混合物の溶融温度より上にRF炉22内で鉄と窒素を含む混合物を加熱することができる。 The RF furnace 22 also includes an RF source 24, shown in FIG. 2 as a number of coils used to generate an RF magnetic field and heat at least the iron-nitrogen containing mixture in the crucible 26. In some examples, the RF source 24 can generate RF energy having a frequency of about 13.56 GHz or about 900 MHz in some examples. The RF source 24 can inductively heat the iron-nitrogen containing mixture directly or by heating a structure (e.g., the crucible 26) in the RF furnace 22 and then heating the iron-nitrogen containing mixture. The iron-nitrogen containing mixture can be heated in the RF furnace 22 above the melting temperature of the iron-nitrogen containing mixture to form a molten iron-nitrogen containing mixture.
いくつかの例において、るつぼ26の形状は、鉄と窒素を含む混合物の形状、例えば少なくとも1つのワイヤ、リボン、または、その幅または直径よりも大きい長さを有する他の物品などを規定することができる。いくつかの例において、キャスティングプロセスの間、るつぼ26の温度は、約650℃~約1200℃の温度に維持されてもよい。いくつかの例において、キャスティングプロセスの間、るつぼ26の温度は、約800℃~約1200℃の温度に維持されてもよい。キャスティングプロセスは、空気、窒素環境、不活性環境、部分真空、完全真空、またはそれらの任意の組み合わせで実施することができる。キャスティングプロセスは、任意の圧力、例えば約0.1GPa~約20GPaであることができる。 In some examples, the shape of the crucible 26 can define the shape of the iron and nitrogen containing mixture, such as at least one wire, ribbon, or other article having a length greater than its width or diameter. In some examples, the temperature of the crucible 26 can be maintained at a temperature of about 650°C to about 1200°C during the casting process. In some examples, the temperature of the crucible 26 can be maintained at a temperature of about 800°C to about 1200°C during the casting process. The casting process can be carried out in air, a nitrogen environment, an inert environment, a partial vacuum, a full vacuum, or any combination thereof. The casting process can be at any pressure, such as about 0.1 GPa to about 20 GPa.
システム20は、RF炉22及びRF炉内の材料(例えば鉄と窒素を含む溶融混合物)が曝される外部磁場32を生成する磁場発生器30も含む。外部磁場32は、鉄と窒素を含む溶融混合物を固体材料に冷却する間に、鉄と窒素を含む材料に印加することができる。いくつかの例において、外部磁場32は、鉄と窒素を含む混合物が溶融している間中ずっと印加されてもよい。いくつかの例において、外部磁場32は、鉄と窒素を含む固体材料が溶融されて鉄と窒素を含む溶融混合物を形成する間に印加されてもよい。 The system 20 also includes a magnetic field generator 30 that generates an external magnetic field 32 to which the RF furnace 22 and the material (e.g., the molten mixture comprising iron and nitrogen) in the RF furnace are exposed. The external magnetic field 32 can be applied to the material comprising iron and nitrogen while the molten mixture comprising iron and nitrogen cools to a solid material. In some examples, the external magnetic field 32 may be applied throughout the time the mixture comprising iron and nitrogen is melting. In some examples, the external magnetic field 32 may be applied while the solid material comprising iron and nitrogen is melted to form the molten mixture comprising iron and nitrogen.
外部磁場32は、鉄と窒素の固体混合物への鉄と窒素の溶融混合物の冷却及び固化の間に結晶粒の核生成及び成長に影響を及ぼしうる。例えば、いかなる作用理論にも束縛されることを望まないが、結晶粒のギブス自由エネルギーは、外部磁場32に対するその配向に依存し得る。例えば、(002)面または(004)面が外部磁場32に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である結晶粒は、(110)面、(112)面、(202)面または(200)面が外部磁場32に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である結晶粒よりも低いギブス自由エネルギーを有しうる。このため、結晶粒は、(002)面または(004)面が外部磁場32に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))に核生成及び成長する可能性がより高くなる。これは、キャスティングプロセス中に形成された鉄または窒化鉄結晶の結晶軸の実質的な配向(例えば、配向またはほぼ配向)を促進することができ、これによって、α”-Fe16N2が形成される時にα”-Fe16N2の結晶軸を実質的に整列(例えば整列またはほぼ整列(例えば整列から約5度以内))させるのを促進することができる。 The external magnetic field 32 may affect the nucleation and growth of crystal grains during cooling and solidification of the molten mixture of iron and nitrogen into a solid mixture of iron and nitrogen. For example, without wishing to be bound by any theory of action, the Gibbs free energy of a crystal grain may depend on its orientation with respect to the external magnetic field 32. For example, a crystal grain whose (002) or (004) plane is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the external magnetic field 32 may have a lower Gibbs free energy than a crystal grain whose (110), (112), (202) or (200) plane is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the external magnetic field 32. Thus, a crystal grain is more likely to nucleate and grow with its (002) or (004) plane substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the external magnetic field 32. This can promote substantial orientation (e.g., aligned or nearly aligned) of the crystallographic axes of the iron or iron nitride crystals formed during the casting process, which can promote having the crystallographic axes of the α″-Fe 16 N 2 substantially aligned (e.g., aligned or nearly aligned (e.g., within about 5 degrees of alignment)) when the α″-Fe 16 N 2 is formed.
追加的または代替的に、外部磁場32は、鉄格子内の格子間空間への窒素の拡散を促進することができ、これによって、鉄と窒素を含む材料から窒素が拡散して出るのを低減または実質的に防止することができる。いかなる作用理論にも束縛されることを望まないが、外部磁場32が鉄結晶格子と相互作用し、鉄結晶が核生成及び成長するときに結晶格子を歪ませるおそれがあると現在考えられている。鉄結晶格子の歪みは、鉄格子中の格子間空間に窒素をより容易に拡散させることを可能にするであろう。窒素が鉄格子内の格子間空間に拡散すると、窒素が鉄格子から拡散して出るのがより困難になるであろう。追加的にまたは代替的に、いかなる作用理論にも束縛されることを望まないが、外部磁場32は、溶融窒化鉄混合物中の対流を弱めるおそれがあり、これによって、窒化鉄結晶の成長中の固液界面の前方への窒素原子の移動を減少させることができると現在考えられている。 Additionally or alternatively, the external magnetic field 32 may promote the diffusion of nitrogen into the interstitial spaces in the iron lattice, thereby reducing or substantially preventing the diffusion of nitrogen out of the iron and nitrogen containing material. While not wishing to be bound by any theory of operation, it is currently believed that the external magnetic field 32 may interact with the iron crystal lattice and distort the crystal lattice as the iron crystals nucleate and grow. The distortion of the iron crystal lattice will allow nitrogen to diffuse more easily into the interstitial spaces in the iron lattice. Once nitrogen diffuses into the interstitial spaces in the iron lattice, it will be more difficult for the nitrogen to diffuse out of the iron lattice. Additionally or alternatively, while not wishing to be bound by any theory of operation, it is currently believed that the external magnetic field 32 may weaken convection in the molten iron nitride mixture, thereby reducing the movement of nitrogen atoms forward of the solid-liquid interface during the growth of the iron nitride crystals.
外部磁場32は、核生成及び成長プロセス中の核生成密度及び欠陥密度に影響を及ぼしうるため、外部磁場32は、鉄の結晶粒度、結晶粒度均一性、結晶粒界、結晶粒形状にも影響を及ぼしうる。例えば、外部磁場32の印加のために、一軸磁気異方性を有することに加えて、印加磁場(14)の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングすることにより形成されたワークピースは、異方的形状を示す少なくとも1つの窒化鉄結晶または結晶粒を含みうる。少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒は、約1.1~約50、例えば約1.4~約50、または2.2~約50、または約5~約50のアスペクト比を示すことができる。本明細書では、アスペクト比は、異方性結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、ここで、最短寸法は、最長寸法に対して実質的に直交(例えば直交またはほぼ直交(例えば直交から約5度以内))する方向で測定される。いくつかの例において、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84の最短寸法は約5nm~約300nmである。 Because the external magnetic field 32 can affect the nucleation density and defect density during the nucleation and growth process, the external magnetic field 32 can also affect the iron grain size, grain size uniformity, grain boundaries, and grain shape. For example, due to the application of the external magnetic field 32, in addition to having uniaxial magnetic anisotropy, a workpiece formed by casting a material comprising iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field (14) can include at least one iron nitride crystal or grain exhibiting an anisotropic shape. The at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can exhibit an aspect ratio of about 1.1 to about 50, e.g., about 1.4 to about 50, or 2.2 to about 50, or about 5 to about 50. As used herein, aspect ratio is defined as the ratio of the length of the longest dimension to the length of the shortest dimension of an anisotropic grain, where the shortest dimension is measured in a direction that is substantially orthogonal (e.g., orthogonal or nearly orthogonal (e.g., within about 5 degrees of orthogonal)) to the longest dimension. In some instances, the shortest dimension of the α″-Fe 16 N 2 crystallites or grains 84 is between about 5 nm and about 300 nm.
いくつかの例において、少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の最長寸法は、印加磁場32の方向、したがって、一軸磁気異方性の方向に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))であることができる。同様に、少なくとも1つの異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の最長寸法は、異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒の磁気結晶異方性の容易軸に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))であることができる。例えば、体心正方晶系(bct)Fe16N2及びFeの場合、(002)組織は、結晶または結晶粒の最長寸法に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内)であることができる。このように、異方的形状の窒化鉄結晶または結晶粒が有する形状異方性は、材料の磁気異方性に寄与し得る。 In some examples, the longest dimension of at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can be substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the direction of the applied magnetic field 32 and thus the direction of the uniaxial magnetic anisotropy. Similarly, the longest dimension of at least one anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can be substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the easy axis of the magnetocrystalline anisotropy of the anisotropically shaped iron nitride crystal or grain. For example, for body-centered tetragonal (bct) Fe 16 N 2 and Fe, the (002) texture can be substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the longest dimension of the crystal or grain. In this manner, the shape anisotropy possessed by the anisotropically shaped iron nitride crystal or grain can contribute to the magnetic anisotropy of the material.
いくつかの例において、印加磁場は、例えば結晶粒界を硬化させることなど、結晶粒界の特性に影響を及ぼしうる。印加磁場は、キャスティングプロセス(14)の間に結晶粒界またはその近傍に位置するピンニングサイト、例えばドーパント原子または欠陥などの生成を促進することができ、これによって、結晶粒界(例えば結晶粒界の約1nm~約100nmの範囲内の領域)の硬度を増加させることができる。例えば、印加磁場は、結晶粒内のドーパント原子または欠陥の結晶粒界への移動を促進することができる。 In some examples, the applied magnetic field can affect the properties of the grain boundaries, such as by hardening the grain boundaries. The applied magnetic field can promote the creation of pinning sites, such as dopant atoms or defects, located at or near the grain boundaries during the casting process (14), which can increase the hardness of the grain boundaries (e.g., regions within about 1 nm to about 100 nm of the grain boundaries). For example, the applied magnetic field can promote the migration of dopant atoms or defects within the grains to the grain boundaries.
いくつかの例において、外部磁場32は、DCモード電磁石によって生成された静磁場であってもよい。静磁場は、キャスティング技術の間に時間の関数として変化しなくてもよい。DCモード外部磁場32は、約0.01テスラ(T)~約50Tの磁束密度を有することができる。いくつかの例において、外部磁場32は少なくとも0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場32は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、又はそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場32は約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場32は約8T~約10Tである。他の例において、外部磁場32はACモード電磁石によって生成された変動磁場である。変動磁場は、キャスティング技術の間の時間の関数として変化し得る。ACモード外部磁場32は、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有することができる。いくつかの例において、外部磁場32は、少なくとも約0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場32は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場32は、約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場32は、約8T~約10Tである。 In some examples, the external magnetic field 32 may be a static magnetic field generated by a DC mode electromagnet. The static magnetic field may not change as a function of time during the casting technique. The DC mode external magnetic field 32 may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla (T) to about 50 T. In some examples, the external magnetic field 32 may be at least 0.2 T. In some examples, the external magnetic field 32 may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 32 is about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 32 is about 8 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 32 is a varying magnetic field generated by an AC mode electromagnet. The varying magnetic field may change as a function of time during the casting technique. The AC mode external magnetic field 32 can have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field 32 can be at least about 0.2 T. In some examples, the external magnetic field 32 can be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 32 is about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 32 is about 8 T to about 10 T.
いくつかの例において、外部磁場32は、RF炉22全体にわたって、または少なくともるつぼ26に占有される容積全体にわたって、実質的に均一(例えば均一またはほぼ均一(例えば約5%以内))であってもよい。他の例において、外部磁場32は、位置の関数として変化してもよい。例えば、外部磁場32は、外部磁場の方向(図2の矢印の方向によって示される)に沿って変化してもよい。例えば、勾配は、約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)、例えば約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約50テスラ/メートル(約0.05テスラ/ミリメートル)、または約1テスラ/メートル(約0.001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)であることができる。いくつかの例において、勾配は、外部磁場32の磁束密度で単調増加または減少であることができる。 In some examples, the external magnetic field 32 may be substantially uniform (e.g., uniform or nearly uniform (e.g., within about 5%)) throughout the RF furnace 22, or at least throughout the volume occupied by the crucible 26. In other examples, the external magnetic field 32 may vary as a function of position. For example, the external magnetic field 32 may vary along the direction of the external magnetic field (as shown by the direction of the arrow in FIG. 2). For example, the gradient can be from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter), such as from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 50 Tesla/meter (about 0.05 Tesla/millimeter), or from about 1 Tesla/meter (about 0.001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter). In some examples, the gradient can be monotonically increasing or decreasing in the magnetic flux density of the external magnetic field 32.
外部磁場32(14)の存在下で鉄と窒素を含む材料のキャスティング中に、鉄と窒素を含む溶融材料を冷却し固化させることができる。いくつかの例において、この冷却プロセスは比較的遅くてもよく、例えば冷却はRF炉22の加熱を停止することによって引き起こされてもよい。他の例において、鉄と窒素を含む溶融材料を急冷媒体中で急冷して、鉄と窒素を含む材料をより迅速に冷却及び固化させることができる。図2のシステムは、必要に応じて急冷媒体28を含む。いくつかの例において、急冷媒体28は、水(室温、低温または氷水)、オイル、ブライン、アンモニア水またはアミドを含み得る。鉄と窒素を含む溶融材料を急冷媒体中に注ぐか、あるいは、るつぼ26または鉄と窒素を含む固化した(しかし依然として熱い)材料の周りに急冷媒体を循環させてもよい。使用される場合、急冷媒体28の温度は、約-269℃~約210℃であることができる。 During casting of the iron and nitrogen-containing material in the presence of the external magnetic field 32 (14), the molten iron and nitrogen-containing material can be cooled and solidified. In some examples, this cooling process can be relatively slow, for example, the cooling can be triggered by turning off the heating of the RF furnace 22. In other examples, the molten iron and nitrogen-containing material can be quenched in a quench medium to more quickly cool and solidify the iron and nitrogen-containing material. The system of FIG. 2 optionally includes a quench medium 28. In some examples, the quench medium 28 can include water (room temperature, low temperature, or ice water), oil, brine, aqueous ammonia, or amide. The molten iron and nitrogen-containing material can be poured into the quench medium, or the quench medium can be circulated around the crucible 26 or the solidified (but still hot) iron and nitrogen-containing material. If used, the temperature of the quench medium 28 can be from about -269°C to about 210°C.
鉄と窒素を含むキャスティングされた材料は少なくとも1種の窒化鉄を含みうる。鉄及び/または窒素に加えて、当該少なくとも1種の窒化鉄は、例えばFeN、Fe2N(例えばξ-Fe2N)、Fe3N(例えばε-Fe3N)、Fe4N(例えばγ’-Fe4N及び/またはγ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α”-Fe16N2、またはFeNx(ここで、xは約0.05~約0.5である)である。次に、キャスティングされた材料を、上記のタイプの窒化鉄の少なくともいくつかをα”-Fe16N2に変換するためにさらなる処理にかけてもよい。さらなる処理のいくつかの例は、図11に関して以下で説明する。 The cast material containing iron and nitrogen may include at least one iron nitride. In addition to iron and/or nitrogen, the at least one iron nitride may be, for example, FeN, Fe 2 N (e.g., ξ-Fe 2 N), Fe 3 N (e.g., ε-Fe 3 N), Fe 4 N (e.g., γ'-Fe 4 N and/or γ-Fe 4 N), Fe 2 N 6 , α-Fe 8 N, α″-Fe 16 N 2 , or FeN x (where x is from about 0.05 to about 0.5). The cast material may then be subjected to further processing to convert at least some of the above types of iron nitride to α″-Fe 16 N 2. Some examples of further processing are described below with respect to FIG. 11.
いくつかの例において、図2に示したシステムを使用するというよりも、別のタイプの装置を用いて、外部磁場の存在下で鉄と窒素を含む混合物をキャスティングすることができる。図3は、外部磁場の存在下で鉄と窒素46を含む材料をキャスティングするために使用できるるつぼ加熱ステージ42を含むシステム40の概念図を示す。図4は、図3に示したるつぼ加熱ステージ42の一例をさらに詳細に示す概念図である。 In some instances, rather than using the system shown in FIG. 2, other types of apparatus can be used to cast a mixture containing iron and nitrogen in the presence of an external magnetic field. FIG. 3 shows a schematic diagram of a system 40 including a crucible heating stage 42 that can be used to cast a material containing iron and nitrogen 46 in the presence of an external magnetic field. FIG. 4 shows a schematic diagram of one example of the crucible heating stage 42 shown in FIG. 3 in more detail.
図3に最もよく示されているように、鉄と窒素を含む材料46は、被覆材48によって包まれる。被覆材48は、ガラスまたはガラスと同様の融点を有する別の非晶質材料であることができる。被覆材48は、鉄と窒素46を含む材料を実質的に封入する(例えば封入またはほぼ封入する)ことができる。被覆材48は非晶質であるため、材料をしっかりと包み込み、材料に応力を加えることができる。このようにして、被覆材48は、鉄と窒素を含む材料46に歪みを導入することを促進することができ、これによって、高い飽和磁化を有する材料の形成をもたらすことができる。鉄と窒素を含む材料46は、るつぼ加熱ステージ42に入る前に、ワイヤ、リボン、フィルムなどの形状であってもよい。 As best shown in FIG. 3, the iron- and nitrogen-containing material 46 is encased by a coating material 48. The coating material 48 can be glass or another amorphous material having a melting point similar to glass. The coating material 48 can substantially encapsulate (e.g., encase or nearly encapsulate) the iron- and nitrogen-containing material 46. Because the coating material 48 is amorphous, it can tightly encase and stress the material. In this manner, the coating material 48 can facilitate the introduction of strain into the iron- and nitrogen-containing material 46, which can result in the formation of a material having a high saturation magnetization. The iron- and nitrogen-containing material 46 can be in the form of a wire, ribbon, film, or the like, prior to entering the crucible heating stage 42.
図3及び4に示した例において、鉄と窒素を含む材料46は、るつぼ加熱ステージ42を図の上から下に垂直に通過する。他の例において、鉄と窒素を含む材料46は、るつぼ加熱ステージ42を図の下から上へ垂直に通過してもよい。 In the examples shown in Figures 3 and 4, the iron and nitrogen containing material 46 passes vertically through the crucible heating stage 42 from top to bottom in the figure. In other examples, the iron and nitrogen containing material 46 may pass vertically through the crucible heating stage 42 from bottom to top in the figure.
るつぼ加熱ステージ42は、鉄と窒素を含む材料46が通過する開口56を画定する(例えば、鉄と窒素を含む材料46の一部が配置される)。いくつかの例において、るつぼ加熱ステージ42のどの部分も、鉄と窒素を含む材料46の加熱中に、鉄と窒素を含む材料46と接触しない。いくつかの実施形態において、これは、望ましくない元素または化学種が鉄と窒素を含む材料46に接触して拡散するリスクを低下させるので、有利である。望ましくない元素または化学種は、鉄と窒素を含む材料46の特性に影響を及ぼし得る。したがって、鉄と窒素を含む材料46と他の材料との間の接触を低減または制限することが望ましいであろう。 The crucible heating stage 42 defines an opening 56 through which the iron- and nitrogen-containing material 46 passes (e.g., through which a portion of the iron- and nitrogen-containing material 46 is disposed). In some examples, no portion of the crucible heating stage 42 contacts the iron- and nitrogen-containing material 46 during heating of the iron- and nitrogen-containing material 46. In some embodiments, this is advantageous because it reduces the risk of undesirable elements or species contacting and diffusing into the iron- and nitrogen-containing material 46. Undesirable elements or species may affect the properties of the iron- and nitrogen-containing material 46. Therefore, it may be desirable to reduce or limit contact between the iron- and nitrogen-containing material 46 and other materials.
るつぼ加熱ステージ42は、るつぼ加熱ステージ42によって画定された開口56の少なくとも一部を取り囲むインダクタ44も含む。インダクタ44は、電流が流れることができる導電性材料、例えばアルミニウム、銀または銅などを含む。インダクタ44を通過する電流は、交流(AC)によって、鉄と窒素を含む材料46に渦電流を誘導し、鉄と窒素を含む材料46を加熱することができる。 The crucible heating stage 42 also includes an inductor 44 that surrounds at least a portion of the opening 56 defined by the crucible heating stage 42. The inductor 44 includes a conductive material through which an electric current can flow, such as aluminum, silver, or copper. The electric current passing through the inductor 44 can induce eddy currents in the iron- and nitrogen-containing material 46 by means of alternating current (AC), causing the iron- and nitrogen-containing material 46 to heat.
鉄と窒素46を含む材料は、渦電流により加熱され、鉄と窒素を含む溶融材料46を形成する。いくつかの例において、図3及び図4に示されていないが、溶融プロセス中、鉄と窒素を含む固体材料46に比べて鉄と窒素を含む溶融材料46の厚さまたは直径が減少するように、鉄と窒素を含む溶融材料46が軸方向に延伸される。溶融プロセスの間、鉄と窒素を含む溶融材料46は被覆材48によって実質的に封入され続ける。 The iron and nitrogen containing material 46 is heated by eddy currents to form a molten iron and nitrogen containing material 46. In some examples, not shown in FIGS. 3 and 4, during the melting process, the iron and nitrogen containing molten material 46 is axially stretched such that the thickness or diameter of the iron and nitrogen containing molten material 46 is reduced relative to the iron and nitrogen containing solid material 46. During the melting process, the iron and nitrogen containing molten material 46 remains substantially encapsulated by the cladding material 48.
いくつかの例において、鉄と窒素を含む溶融材料は、鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52の断面サイズ及び形状を画定することができるコイル50の開口を通って延伸されてもよい。 In some examples, the molten material containing iron and nitrogen may be drawn through an opening in the coil 50, which can define the cross-sectional size and shape of the cast material containing iron and nitrogen 52.
必要に応じて、鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52の冷却を促進するために、鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52を、冷却媒体、例えば水(室温水、冷水または氷水)、オイル、ブライン、アンモニア水またはアミドなどに曝してもよい。他の例において、鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52を空冷してもよい。 Optionally, to facilitate cooling of the iron- and nitrogen-containing cast material 52, the iron- and nitrogen-containing cast material 52 may be exposed to a cooling medium, such as water (room temperature, cold, or iced), oil, brine, aqueous ammonia, or an amide. In another example, the iron- and nitrogen-containing cast material 52 may be air-cooled.
当該キャスティング法の溶融及び冷却部分の間、鉄と窒素を含む材料48(固体、溶融、及びキャスティングされた52)は、磁石54によって生成された外部磁場56に曝される。外部磁場56は、図2に関して記載したように、鉄と窒素を含む溶融材料48の鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52への冷却及び固化の間に結晶粒の核生成及び成長に影響を及ぼしうる。追加的または代替的に、外部磁場56は、鉄格子中の格子間空間への窒素の拡散を促進することができ、これによって、鉄と窒素を含む材料から窒素が拡散して出るのを低減または実質的に妨げる(例えば妨げるまたはほぼ妨げる)ことができる。外部磁場56は、核生成及び成長プロセスの間の核生成密度及び欠陥密度に影響を及ぼしうるため、外部磁場56は、鉄の結晶粒度及び結晶粒界にも影響を及ぼしうる。 During the melting and cooling portion of the casting process, the iron- and nitrogen-containing material 48 (solid, molten, and cast 52) is exposed to an external magnetic field 56 generated by a magnet 54. The external magnetic field 56 can affect grain nucleation and growth during cooling and solidification of the iron- and nitrogen-containing molten material 48 into the iron- and nitrogen-containing cast material 52, as described with respect to FIG. 2. Additionally or alternatively, the external magnetic field 56 can promote diffusion of nitrogen into interstitial spaces in the iron lattice, thereby reducing or substantially preventing (e.g., preventing or nearly preventing) nitrogen from diffusing out of the iron- and nitrogen-containing material. Because the external magnetic field 56 can affect nucleation density and defect density during the nucleation and growth process, the external magnetic field 56 can also affect the iron grain size and grain boundaries.
いくつかの例において、外部磁場56は、図2に関して記載した外部磁場32と同様または実質的に同じ(例えば同じまたはほぼ同じ)であってもよい。例えば、外部磁場56は、DCモード電磁石によって生成された静磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。他の例において、外部磁場56は、ACモードの電磁石によって生成された変動磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。いくつかの例において、外部磁場56は、少なくとも0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場56は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場56は約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場56は約8T~約10Tである。いくつかの例において、外部磁場56は、るつぼ加熱ステージ42全体にわたって、または、少なくとも、鉄と窒素を含む材料48の容積全体にわたって実質的に均一(例えば均一またはほぼ均一(例えば約5%以内))であることができる。他の例において、外部磁場56は、位置の関数として変化してもよい。例えば、外部磁場56は、外部磁場の方向(図3の矢印の方向によって示される)に沿って変化してもよい。例えば、勾配は、約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)、例えば約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約50テスラ/メートル(約0.05テスラ/ミリメートル)、または約1テスラ/メートル(約0.001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)であることができる。いくつかの例において、勾配は、外部磁場56の磁束密度の単調増加または減少であることができる。 In some examples, the external magnetic field 56 may be similar or substantially the same (e.g., the same or nearly the same) as the external magnetic field 32 described with respect to FIG. 2. For example, the external magnetic field 56 may be a static magnetic field generated by a DC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In other examples, the external magnetic field 56 may be a fluctuating magnetic field generated by an AC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field 56 can be at least 0.2 T. In some examples, the external magnetic field 56 may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 56 is about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 56 is about 8 T to about 10 T. In some examples, the external magnetic field 56 can be substantially uniform (e.g., uniform or nearly uniform (e.g., within about 5%)) across the entire crucible heating stage 42, or at least across the entire volume of the iron-nitrogen containing material 48. In other examples, the external magnetic field 56 can vary as a function of position. For example, the external magnetic field 56 can vary along the direction of the external magnetic field (as shown by the direction of the arrow in FIG. 3). For example, the gradient can be from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter), such as from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 50 Tesla/meter (about 0.05 Tesla/millimeter), or from about 1 Tesla/meter (about 0.001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter). In some examples, the gradient can be a monotonically increasing or decreasing flux density of the external magnetic field 56.
鉄と窒素を含むキャスティングされた材料52は少なくとも1種の窒化鉄を含んでもよい。鉄及び/または窒素に加えて、当該少なくとも1種の窒化鉄は、例えばFeN、Fe2N(例えばξ-Fe2N)、Fe3N(例えばε-Fe3N)、Fe4N(例えばγ’-Fe4N及び/またはγ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α”-Fe16N2、またはFeNx(ここで、xは約0.05~約0.5である)である。次いで、キャスティングされた材料を、上記のタイプの窒化鉄の少なくともいくつかをα”-Fe16N2に変換するためにさらなる処理にかけてもよい。さらなる処理のいくつかの例は、図11に関して以下で説明する。 The iron and nitrogen containing cast material 52 may include at least one iron nitride, in addition to iron and/or nitrogen, such as FeN, Fe 2 N (e.g., ξ-Fe 2 N), Fe 3 N (e.g., ε-Fe 3 N), Fe 4 N (e.g., γ'-Fe 4 N and/or γ-Fe 4 N), Fe 2 N 6 , α-Fe 8 N, α″-Fe 16 N 2 , or FeN x (where x is from about 0.05 to about 0.5). The cast material may then be subjected to further processing to convert at least some of the above types of iron nitrides to α″-Fe 16 N 2. Some examples of further processing are described below with respect to FIG. 11.
図5は、外部磁場の存在下で例示的な窒化鉄のワークピースをベルトキャスティング(belt casting)するための別の例示的なシステム60を示す概念図である。ベルトキャスティングシステム60は、溶融鉄インゴット64を収容するインゴットチャンバ62を含んでもよく、例えば加熱コイル66の形態にある加熱源により加熱される。いくつかの例において、インゴットチャンバ62内の溶融鉄インゴット64の温度は約1800ケルビン(K;約1526.85℃)より高くてもよい。インゴット室62内の鉄インゴット64の圧力は約0.06MPa~約0.12MPaであることができる。 FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another exemplary system 60 for belt casting an exemplary iron nitride workpiece in the presence of an external magnetic field. The belt casting system 60 may include an ingot chamber 62 containing a molten iron ingot 64 and is heated by a heating source, for example in the form of a heating coil 66. In some examples, the temperature of the molten iron ingot 64 in the ingot chamber 62 may be greater than about 1800 Kelvin (K; about 1526.85° C.). The pressure of the iron ingot 64 in the ingot chamber 62 may be about 0.06 MPa to about 0.12 MPa.
インゴット室62は窒素入口68を含み、窒素入口68を通じて窒素源が溶融鉄インゴット64内に導入され、溶融窒化鉄混合物70を形成する。窒素は、様々な形態で窒素入口68を通じて、または、様々な供給源から供給されてもよい。例えば、窒素は、アンモニア、アジ化アンモニウム、または尿素の形態で供給されてもよく、窒素入口68を通じて導入され、次いで、溶融窒化鉄混合物70中の溶融鉄との混合時に分解して窒素原子を放出する。 The ingot chamber 62 includes a nitrogen inlet 68 through which a nitrogen source is introduced into the molten iron ingot 64 to form the molten iron nitride mixture 70. Nitrogen may be provided through the nitrogen inlet 68 in a variety of forms or from a variety of sources. For example, nitrogen may be provided in the form of ammonia, ammonium azide, or urea, which is introduced through the nitrogen inlet 68 and then decomposes to release nitrogen atoms upon mixing with the molten iron in the molten iron nitride mixture 70.
いくつかの例において、窒化鉄混合物70中にほぼ化学量論的な数の窒素原子をもたらすように窒素源を用意してもよい。Fe16N2中の鉄と窒素の化学量論比は8:1である。したがって、窒化鉄混合物70中の鉄原子のおおよその数を決定することができ、鉄原子の約1/8(12.5%)に等しい数、例えば約8at.%~約15at.%の窒素原子を窒素入口68から窒化鉄混合物70に供給することができる。 In some examples, the nitrogen source may be provided to provide an approximately stoichiometric number of nitrogen atoms in the iron nitride mixture 70. The stoichiometric ratio of iron to nitrogen in Fe 16 N 2 is 8:1. Thus, the approximate number of iron atoms in the iron nitride mixture 70 can be determined, and a number of nitrogen atoms equal to about ⅛ (12.5%) of the iron atoms, for example, about 8 at.% to about 15 at.%, can be provided to the iron nitride mixture 70 through the nitrogen inlet 68.
溶融窒化鉄混合物70は、ノズルヘッド72を介してインゴットチャンバ62から流出し、窒化鉄ストリップ74を形成する。窒化鉄ストリップ74は、反対方向に回転する第1のピンチローラー76aと第2のピンチローラー76b(集合的に「ピンチローラー76」)の表面間のギャップ領域に供給される。いくつかの例において、ノズルヘッド72からピンチローラー76の表面までの距離は、約1mm~約50mm、例えば約4mmであってもよい。 The molten iron nitride mixture 70 flows out of the ingot chamber 62 through a nozzle head 72 to form an iron nitride strip 74. The iron nitride strip 74 is fed into a gap region between the surfaces of counter-rotating first and second pinch rollers 76a and 76b (collectively, "pinch rollers 76"). In some examples, the distance from the nozzle head 72 to the surface of the pinch rollers 76 may be from about 1 mm to about 50 mm, for example about 4 mm.
いくつかの例において、第1のピンチローラー76a及び第2のピンチローラー76bの回転速度は、毎分約10回転(rpm)から5000rpmまでの値をとることができ、ローラー76の回転速度はほぼ同じであってもよい。いくつかの例において、ピンチローラー76は、例えば水冷を使用して積極的に冷却され、これによって、ローラー76の表面を窒化鉄ストリップ74の温度よりも低い温度に維持し、窒化鉄ストリップ74を冷却及びキャスティングするのを助ける。例えば、ピンチローラー76の温度は、約300K(約26.85℃)~約400K(約126.85℃)に維持されてもよい。ピンチローラー76により窒化鉄ストリップ74にかかる圧力は約0.04MPa~約0.1MPaであることができる。 In some examples, the rotational speed of the first pinch roller 76a and the second pinch roller 76b can range from about 10 revolutions per minute (rpm) to 5000 rpm, and the rotational speed of the rollers 76 can be approximately the same. In some examples, the pinch roller 76 is actively cooled, for example using water cooling, to maintain the surface of the roller 76 at a temperature lower than that of the iron nitride strip 74 and aid in cooling and casting the iron nitride strip 74. For example, the temperature of the pinch roller 76 may be maintained at about 300 K (about 26.85° C.) to about 400 K (about 126.85° C.). The pressure exerted by the pinch roller 76 on the iron nitride strip 74 can be about 0.04 MPa to about 0.1 MPa.
窒化鉄ストリップ74がピンチローラー76間でプレスされ冷却された後、窒化鉄ストリップ74は、組織化(textured)窒化鉄シート78a及び78bを形成する。いくつかの例において、組織化窒化鉄シート78a及び78b(集合的に「組織化窒化鉄シート78」)は、約1μm~約10mm、例えば約5μm~約1cmの少なくとも1つの寸法(例えば、厚さ)を有する組織化窒化鉄リボンを形成してもよい(個々に、または複数の組織化された窒化鉄シート78の圧縮後のいずれか)。組織化窒化鉄シート78の各々は、例えば、(002)または(004)結晶組織を含んでもよい。換言すれば、組織化窒化鉄シート78の各々の主表面は、組織化窒化鉄シート78のそれぞれの中の鉄結晶の全てまたは実質的に全ての(002)または(004)表面と平行であってもよい。鉄結晶の全てまたは実質的に全て(例えば全て又はほぼ全て(例えば95%超))が、その後の工程で実質的に整列(例えば整列またはほぼ整列(例えば整列しているから約5度以内))した結晶軸を有する組織化窒化鉄シート78a及び78bを使用することによって、Fe8N及びFe16N2相ドメインを形成するときに形成された異方性が結晶間で実質的に整列されうる。 After the iron nitride strip 74 is pressed between the pinch rollers 76 and cooled, the iron nitride strip 74 forms textured iron nitride sheets 78a and 78b. In some examples, the textured iron nitride sheets 78a and 78b (collectively "textured iron nitride sheets 78") may form textured iron nitride ribbons (either individually or after compression of multiple textured iron nitride sheets 78) having at least one dimension (e.g., thickness) of about 1 μm to about 10 mm, for example, about 5 μm to about 1 cm. Each of the textured iron nitride sheets 78 may include, for example, a (002) or (004) crystal texture. In other words, a major surface of each of the textured iron nitride sheets 78 may be parallel to the (002) or (004) surfaces of all or substantially all of the iron crystals in each of the textured iron nitride sheets 78. By using textured iron nitride sheets 78a and 78b in which all or substantially all (e.g., all or nearly all (e.g., greater than 95 %)) of the iron crystallites have their crystal axes substantially aligned (e.g., aligned or nearly aligned (e.g., within about 5 degrees of being aligned)) in a subsequent process, the anisotropy formed when forming the Fe8N and Fe16N two -phase domains can be substantially aligned between the crystallites.
ベルトキャスティング技術の間、磁石80は、少なくとも溶融した窒化鉄混合物70及び窒化鉄ストリップ74が曝される外部磁場82を発生することができる。外部磁場82は、図2に関して上記したように、窒化鉄ストリップ74への溶融窒化鉄混合物70の冷却及び固化の間に結晶粒の核生成及び成長に影響を及ぼしうる。追加的または代替的に、外部磁場82は、鉄格子の格子間空間への窒素の拡散を促進することができ、これによって、鉄と窒素を含む材料から窒素が拡散して出るのを低減または実質的に妨げる(例えば妨げるまたはほぼ妨げる)ことができる。外部磁場82は、核生成及び成長プロセスの間の核生成密度及び欠陥密度に影響を及ぼしうるため、外部磁場56は、鉄の結晶粒度及び結晶粒界にも影響を及ぼしうる。 During the belt casting technique, the magnet 80 can generate an external magnetic field 82 to which at least the molten iron nitride mixture 70 and the iron nitride strip 74 are exposed. The external magnetic field 82 can affect grain nucleation and growth during cooling and solidification of the molten iron nitride mixture 70 into the iron nitride strip 74, as described above with respect to FIG. 2. Additionally or alternatively, the external magnetic field 82 can promote diffusion of nitrogen into the interstitial spaces of the iron lattice, thereby reducing or substantially preventing (e.g., preventing or nearly preventing) nitrogen from diffusing out of the iron and nitrogen-containing material. Because the external magnetic field 82 can affect nucleation density and defect density during the nucleation and growth process, the external magnetic field 56 can also affect the iron grain size and grain boundaries.
いくつかの例において、外部磁場82は、図2に関して記載した外部磁場32と同様または実質的に同じであってもよい。例えば、外部磁場82は、DCモード電磁石によって生成された静磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。いくつかの例において、外部磁場82は、少なくとも約0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場82は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場82は、約5T~約10Tであることができる。他の例において、外部磁場82は、約8T~約10Tである。他の例において、外部磁場82は、ACモードの電磁石によって生成された変動磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。いくつかの例において、外部磁場82は、少なくとも約0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場82は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場82は約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場82は約8T~約10Tである。いくつかの例において、外部磁場82は、ベルトキャスティングシステム60全体にわたって、または、少なくとも、溶融窒化鉄混合物70の容積及び窒化鉄ストリップ74の全体にわたって、実質的に均一(例えば均一またはほぼ均一(約5%以内))であることができる。他の例において、外部磁場82は、位置の関数として変化してもよい。例えば、外部磁場82は、外部磁場の方向(図5の矢印の方向によって示される)に沿って変化してもよい。例えば、勾配は、約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)、例えば約0.01テスラ/メートル~約50テスラ/メートル(約0.05テスラ/ミリメートル)、または約1テスラ/メートル(約0.001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)であることができる。いくつかの例において、勾配は、外部磁場82の磁束密度の単調増加または減少であることができる。 In some examples, the external magnetic field 82 may be similar or substantially the same as the external magnetic field 32 described with respect to FIG. 2. For example, the external magnetic field 82 may be a static magnetic field generated by a DC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field 82 may be at least about 0.2 T. In some examples, the external magnetic field 82 may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 82 may be about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 82 is about 8 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 82 may be a fluctuating magnetic field generated by an AC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field 82 can be at least about 0.2 T. In some examples, the external magnetic field 82 can be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 82 is between about 5 T and about 10 T. In other examples, the external magnetic field 82 is between about 8 T and about 10 T. In some examples, the external magnetic field 82 can be substantially uniform (e.g., uniform or nearly uniform (within about 5%)) throughout the belt casting system 60, or at least throughout the volume of the molten iron nitride mixture 70 and the iron nitride strip 74. In other examples, the external magnetic field 82 can vary as a function of position. For example, the external magnetic field 82 can vary along the direction of the external magnetic field (indicated by the direction of the arrow in FIG. 5). For example, the gradient can be from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter), such as from about 0.01 Tesla/meter to about 50 Tesla/meter (about 0.05 Tesla/millimeter), or from about 1 Tesla/meter (about 0.001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter). In some examples, the gradient can be a monotonically increasing or decreasing flux density of the external magnetic field 82.
窒化鉄ストリップ74は、少なくとも1種の窒化鉄を含んでもよい。鉄及び/または窒素に加えて、当該少なくとも1種の窒化鉄は、例えばFeN、Fe2N(例えばξ-Fe2N)、Fe3N(例えばε-Fe3N)、Fe4N(例えばγ’-Fe4N及び/またはγ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8N、α”-Fe16N2、またはFeNx(ここで、xは約0.05~約0.5である)である。次いで、窒化鉄ストリップ74を、上記のタイプの窒化鉄の少なくともいくつかをα”-Fe16N2に変換するためにさらなる処理にかけてもよい。さらなる処理のいくつかの例は、図11に関して以下で説明する。 The iron nitride strip 74 may include at least one iron nitride, in addition to iron and/or nitrogen, such as FeN, Fe 2 N (e.g., ξ-Fe 2 N), Fe 3 N (e.g., ε-Fe 3 N), Fe 4 N (e.g., γ'-Fe 4 N and/or γ-Fe 4 N), Fe 2 N 6 , α-Fe 8 N, α″-Fe 16 N 2 , or FeN x (where x is from about 0.05 to about 0.5). The iron nitride strip 74 may then be subjected to further processing to convert at least some of the above types of iron nitrides to α″-Fe 16 N 2. Some examples of further processing are described below with respect to FIG. 11.
上記の例で、鉄と窒素の混合物を含む材料がキャスティング技術の間に磁場に曝されるキャスティング技術を説明した。本開示は、また、外部磁場の存在下でα”-Fe16N2相ドメインを含む複数のワークピースを接合するための圧縮技術も説明する。図6は、α”-Fe16N2単位胞を示す概念図である。図6に示されているように、α”-Fe16N2相では、N原子は(002)(鉄)結晶面に沿って整列している。窒化鉄単位胞が歪んでおり、<001>軸に沿う単位胞の長さは約6.28オングストローム(Å)であるのに対し、<010>軸及び<100>軸に沿う単位胞の長さは約5.72Åである。α”-Fe16N2単位胞は、歪んだ状態にあるとき、体心正方晶(bct)単位胞と呼ぶことができる。α”-Fe16N2単位胞が歪んだ状態にあるとき、<001>軸は単位胞のc軸と呼ぶことができる。このc軸は、α”-Fe16N2単位胞の磁化容易軸であることができる。換言すれば、α”-Fe16N2結晶は磁気異方性を示す。 In the above examples, a casting technique was described in which a material containing a mixture of iron and nitrogen was exposed to a magnetic field during the casting technique. The present disclosure also describes a compression technique for joining multiple workpieces containing α″-Fe 16 N 2 phase domains in the presence of an external magnetic field. FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an α″-Fe 16 N 2 unit cell. As shown in FIG. 6, in the α″-Fe 16 N 2 phase, the N atoms are aligned along the (002) (iron) crystallographic plane. The iron nitride unit cell is distorted such that the length of the unit cell along the <001> axis is about 6.28 angstroms (Å), while the length of the unit cell along the <010> and <100> axes is about 5.72 Å. When the α″-Fe 16 N 2 unit cell is in a distorted state, it can be referred to as a body-centered tetragonal (bct) unit cell. When the α″-Fe 16 N 2 unit cell is in a distorted state, the <001> axis can be called the c-axis of the unit cell. This c-axis can be the easy axis of magnetization of the α″-Fe 16 N 2 unit cell. In other words, the α″-Fe 16 N 2 crystal exhibits magnetic anisotropy.
α”-Fe16N2は高い飽和磁化及び磁気異方性定数を有する。高い飽和磁化及び磁気異方性定数は、希土類磁石よりも高いことがある磁気エネルギー積をもたらす。例えば、薄膜α”-Fe16N2永久磁石から得られた実験的な証拠から、バルクFe16N2永久磁石は、NdFeB(約60MGOeのエネルギー積を有する)のエネルギー積の約2倍である約134メガガウス*エルステッド(MGOe)ほどにもなる高いエネルギー積を含む望ましい磁気特性を有することを示唆している。計算及び実験から、α”-Fe16N2の磁気結晶異方性は、約1.0~2.0×107erg/cm3であり得ることを示す。α”-Fe16N2は約2.9ボーア磁子数毎鉄原子μB/Feの比較的高い理論磁気飽和モーメントも有する。さらに、鉄と窒素は豊富な元素であり、したがって比較的安価で調達が容易である。 α″-Fe 16 N 2 has high saturation magnetization and magnetic anisotropy constants. The high saturation magnetization and magnetic anisotropy constants result in a magnetic energy product that can be higher than rare earth magnets. For example, experimental evidence from thin film α″-Fe 16 N 2 permanent magnets suggests that bulk Fe 16 N 2 permanent magnets have desirable magnetic properties including a high energy product as high as about 134 Megagauss*Oersted (MGOe), which is about twice the energy product of NdFeB (which has an energy product of about 60 MGOe). Calculations and experiments indicate that the magnetocrystalline anisotropy of α″-Fe 16 N 2 can be about 1.0-2.0×10 7 erg/cm 3. α″-Fe 16 N 2 also has a relatively high theoretical magnetic saturation moment of about 2.9 Bohr magnetons per iron atom μ B /Fe. Furthermore, iron and nitrogen are abundant elements and therefore relatively cheap and easy to procure.
理論に縛られることを望まないが、3種類の異方性がα”-Fe16N2または他の鉄基磁性材料の磁気異方性エネルギーまたは磁気異方性磁場に寄与し得る。これらの3種類の異方性おしては、磁気結晶異方性、形状異方性及び歪異方性が挙げられる。上述したように、磁気結晶異方性は、bcc鉄結晶格子が図6に示すbct窒化鉄結晶格子に歪むことに関連しているであろう。形状異方性は、窒化鉄の結晶または結晶粒の形状、または窒化鉄ワークピースの形状に関連しているであろう。例えば、図7に示されているように、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84は、最長寸法(図7のz軸に実質的に平行、説明を簡単にするためだけに直交するx-y-z軸が示されている)を示しうる。α”-Fe16N2の結晶または結晶粒84は、最短寸法(例えば、図7のx軸またはy軸に実質的に平行)を示しうる。最短寸法は、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84の最長軸に直交する方向で測定することができる。 Without wishing to be bound by theory, three types of anisotropy may contribute to the magnetic anisotropy energy or magnetic anisotropy field of α″-Fe 16 N 2 or other iron-based magnetic materials. These three types of anisotropy include magnetocrystalline anisotropy, shape anisotropy, and distortion anisotropy. As discussed above, magnetocrystalline anisotropy may be related to the distortion of the bcc iron crystal lattice to the bct iron nitride crystal lattice shown in FIG. 6 . Shape anisotropy may be related to the shape of the iron nitride crystals or grains, or the shape of the iron nitride workpiece. For example, as shown in FIG. 7 , an α″-Fe 16 N 2 crystal or grain 84 may exhibit a longest dimension (substantially parallel to the z-axis of FIG. 7 , although orthogonal x-y-z axes are shown for ease of illustration only). The α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 may exhibit a shortest dimension (e.g., substantially parallel to the x-axis or y-axis of FIG. 7 ). The shortest dimension may be measured in a direction perpendicular to the longest axis of the α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84.
いくつかの例において、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84は、約1.1~約50、例えば約1.4~約50、もしくは2.2~約50、または約5~約50のアスペクト比を示すことができる。いくつかの例において、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84の最短寸法は約5nm~約300nmである。 In some examples, the α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 can exhibit an aspect ratio of about 1.1 to about 50, e.g., about 1.4 to about 50, or 2.2 to about 50, or about 5 to about 50. In some examples, the shortest dimension of the α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 is about 5 nm to about 300 nm.
歪異方性は、α”-Fe16N2または他の鉄基磁性材料にかかる歪みに関連するであろう。いくつかの例において、α”-Fe16N2結晶粒は、鉄または他のタイプの窒化鉄(例えばFe4N)の結晶粒を含むマトリックス中に配置または埋め込まれる。α”-Fe16N2結晶粒は、鉄または他のタイプの窒化鉄の結晶粒とは異なる熱膨張係数を有することがある。この差異は、熱加工中に、α”-Fe16N2結晶粒、及び鉄または他のタイプの窒化鉄の結晶粒における示差寸法変化に起因して、α”-Fe16N2結晶粒に歪みを導入するおそれがある。代替的または追加的に、α”-Fe16N2結晶粒を形成する加工中に、材料またはワークピースに、機械的な歪みまたは印加磁場に曝されることによる歪みを加えることができ、かかる歪みの少なくともいくらかが加工後の材料またはワークピースに残留しうる。アニールは、応力状態での磁気弾性エネルギーを減少させるために、試料の内部応力及び局所的微細構造の再分布をもたらすことがある。歪異方性下の磁区構造は、磁気弾性エネルギー、静磁エネルギー及び交換エネルギーに依存する。 Strain anisotropy may be associated with strain on the α″-Fe 16 N 2 or other iron-based magnetic material. In some examples, the α″-Fe 16 N 2 grains are disposed or embedded in a matrix that includes iron or other type of iron nitride (e.g., Fe 4 N) grains. The α″-Fe 16 N 2 grains may have a different thermal expansion coefficient than the iron or other type of iron nitride grains. This difference may introduce strain in the α″-Fe 16 N 2 grains due to differential dimensional changes in the α″-Fe 16 N 2 grains and the iron or other type of iron nitride grains during thermal processing. Alternatively or additionally, a material or workpiece may be subjected to strain, either mechanically or by exposure to an applied magnetic field, during processing to form the α″-Fe 16 N 2 grains, and at least some of such strain may remain in the processed material or workpiece. Annealing can result in a redistribution of the internal stresses and local microstructure of the sample to reduce the magnetoelastic energy under stress. The domain structure under strain anisotropy depends on the magnetoelastic energy, magnetostatic energy and exchange energy.
図8は、他の材料のマトリックス88中に複数のα”-Fe16N2結晶または結晶粒84を含む例示的ワークピース86を示す概念図である。図8に示すように、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84の各々は異方的形状を示す。さらに、α”-Fe16N2結晶または結晶粒84のそれぞれのα”-Fe16N2結晶または結晶粒の磁化容易軸は、それぞれのα”-Fe16N2結晶または結晶粒のそれぞれの最長寸法と実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である。いくつかの例において、それぞれのα”-Fe16N2結晶または結晶粒の磁化容易軸は、他のそれぞれの磁化容易軸と実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である(したがって、その他のそれぞれの最長寸法と実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))である)。いくつかの例において、これは、図1~5に関して説明したように、印加磁場の存在下でワークピース86を形成するために使用される材料をキャスティングすることによって達成することができる。このように、ワークピース86は、磁気結晶異方性、形状異方性及び歪異方性をもたらす構造的特性を有することができ、磁気結晶異方性、形状異方性及び歪異方性は全てワークピース86の異方性磁界に寄与する。 FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating an exemplary workpiece 86 including a plurality of α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 in a matrix 88 of another material. As shown in FIG. 8 , each of the α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 exhibits an anisotropic shape. Further, the magnetic easy axis of each α″-Fe 16 N 2 crystal or grain of the α″-Fe 16 N 2 crystals or grains 84 is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the respective longest dimension of each α″-Fe 16 N 2 crystal or grain. In some examples, the magnetic easy axis of each α″-Fe 16 N 2 crystal or grain is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to each of the other respective longest dimensions (and thus substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to each of the other respective longest dimensions). In some examples, this can be accomplished by casting the material used to form workpiece 86 in the presence of an applied magnetic field, as described with respect to Figures 1-5. In this manner, workpiece 86 can have structural properties that result in magnetocrystalline anisotropy, shape anisotropy, and strain anisotropy, all of which contribute to the anisotropy field of workpiece 86.
図9は、ワークピース86についての例示的なヒステリシス曲線を示す図である。図9に示すヒステリシス曲線は、図8のc軸方向と平行に磁場を印加した場合のワークピース86の保磁力(x軸の切片)が図8のa軸及びb軸方向に平行に磁場を印加した場合のワークピース86の保磁力(x軸切片)とは異なるため、ワークピース86が磁気異方性を有することを示している。 Figure 9 shows an exemplary hysteresis curve for workpiece 86. The hysteresis curve shown in Figure 9 indicates that workpiece 86 has magnetic anisotropy because the coercive force (x-axis intercept) of workpiece 86 when a magnetic field is applied parallel to the c-axis direction in Figure 8 is different from the coercive force (x-axis intercept) of workpiece 86 when a magnetic field is applied parallel to the a-axis and b-axis directions in Figure 8.
α”-Fe16N2相ドメインを含むバルク材料を直接製造することは困難なことがある。本明細書に記載されている代替技術は、α”-Fe16N2相ドメインを含むより小さい材料を形成し、次いで、当該より小さい材料を接合(または統合)してα”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む。図10は、バルク磁性材料を形成するために少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む複数のワークピースを統合するための例示的技術を示すフロー図である。 It can be difficult to directly produce a bulk material containing an α″-Fe 16 N two -phase domain. An alternative technique described herein involves forming smaller materials containing an α″-Fe 16 N two -phase domain and then joining (or consolidating) the smaller materials to form a bulk magnetic material containing an α″-Fe 16 N two -phase domain. FIG. 10 is a flow diagram illustrating an exemplary technique for consolidating multiple workpieces containing at least one α″-Fe 16 N two -phase domain to form a bulk magnetic material.
いくつかの例において、バルク磁性材料を形成するために少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む複数のワークピースを統合する代わりに、図10の技術は、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメイン、例えば歪み鉄、Fe16C2又は鉄とB、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、Alなどのうちの少なくとも1種とを含む複数のワークピースを統合することを含んでもよい。 In some examples, instead of consolidating multiple work-pieces including at least one α″-Fe 16 N 2 phase domain to form a bulk magnetic material, the technique of FIG. 10 may include consolidating multiple work-pieces including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, such as distorted iron, Fe 16 C 2 or iron and at least one of B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Al, etc.
図10の技術は、窒化鉄を含む複数のワークピースをバインダー材料と混合すること(92)を含む。窒化鉄を含む複数のワークピースの少なくともいくつかは、少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含んでもよい。いくつかの例において、窒化鉄を含む複数のワークピースの各々は、少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含んでもよい。さらに、複数のワークピースは、他の窒化鉄相ドメイン(例えば、FeN、Fe2N(例えばξ-Fe2N)、Fe3N(例えばε-Fe3N)、Fe4N(例えばγ’-Fe4N及び/またはγ-Fe4N)、Fe2N6、α-Fe8NまたはFeNx(ここで、xは約0.05~約0.5である)のドメイン)、鉄相ドメインなどを含んでもよい。 The technique of FIG. 10 includes mixing (92) a plurality of workpieces including iron nitride with a binder material. At least some of the plurality of workpieces including iron nitride may include at least one α″-Fe 16 N two -phase domain. In some examples, each of the plurality of workpieces including iron nitride may include at least one α″-Fe 16 N two- phase domain. Additionally, the plurality of workpieces may include other iron nitride phase domains (e.g., domains of FeN, Fe 2 N (e.g., ξ-Fe 2 N), Fe 3 N (e.g., ε-Fe 3 N), Fe 4 N (e.g., γ′-Fe 4 N and/or γ-Fe 4 N), Fe 2 N 6 , α-Fe 8 N, or FeN x (where x is from about 0.05 to about 0.5)), iron phase domains, etc.
複数のワークピースは、任意の形状及びサイズを含むことができる。いくつかの例において、ワークピースは、それぞれのワークピースの他の寸法よりも長い1つの寸法を含む。他の寸法よりも長い寸法を有するワークピースの例としては、繊維、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚いフィルム、箔、リボン、シートなどが挙げられる。他の例において、ワークピースは、ワークピースの他の寸法よりも長い寸法を有していなくてもよい。例えば、ワークピースは、粒子または粉末、例えば球体、円柱状体、小片状体、薄片状体、正多面体、不規則な多面体、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。適切な正多面体の例としては、四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体などが挙げられ、その非限定的な例には、立方体、角柱、角錐などが挙げられる。 The plurality of workpieces can include any shape and size. In some examples, the workpieces include one dimension that is longer than the other dimensions of the respective workpiece. Examples of workpieces having a dimension that is longer than the other dimensions include fibers, wires, filaments, cables, films, thick films, foils, ribbons, sheets, and the like. In other examples, the workpieces may not have a dimension that is longer than the other dimensions of the workpiece. For example, the workpieces can include particles or powders, such as spheres, cylinders, platelets, flakes, regular polyhedrons, irregular polyhedrons, and any combination thereof. Examples of suitable regular polyhedrons include tetrahedrons, hexahedrons, octahedrons, decahedrons, dodecahedrons, and the like, non-limiting examples of which include cubes, prisms, pyramids, and the like.
バインダー材料としては、複数のワークピースとともにプレスされて団結したバルク材料を形成することができる任意の材料が挙げられる。いくつかの例において、バインダーとしては、樹脂、ワックス、または低融点金属が挙げられる。低融点金属としては、例えば、亜鉛(Zn)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、ナトリウム(Na)、またはリチウム(Li)が挙げられる。例示的な樹脂としては、例えばミシガン州ミッドランドのThe Dow Chemical Companyからアンバーライト(Amberlite)(商標)の商品名で入手可能なものなどのイオン交換樹脂を包含する天然または合成樹脂;エポキシ樹脂、例えばビスマレイミド-トリアジン(BT)-エポキシなど;ポリアクリロニトリル;ポリエステル;シリコーン;プレポリマー;ポリビニルブチラール;尿素-ホルムアルデヒドなどが挙げられる。 Binder materials include any material that can be pressed together with multiple workpieces to form a cohesive bulk material. In some examples, binders include resins, waxes, or low melting point metals. Low melting point metals include, for example, zinc (Zn), tin (Sn), bismuth (Bi), gallium (Ga), sodium (Na), or lithium (Li). Exemplary resins include natural or synthetic resins, including ion exchange resins, such as those available under the trade name Amberlite™ from The Dow Chemical Company, Midland, Michigan; epoxy resins, such as bismaleimide-triazine (BT)-epoxy; polyacrylonitrile; polyesters; silicones; prepolymers; polyvinyl butyral; urea-formaldehyde; and the like.
複数のワークピースとバインダーを含む混合物を次に外部磁場(94)に曝してもよい。外部磁場は、複数のワークピースとバインダーとを含む混合物に対して所定の配向を有してもよい。この所定の配向は、バルク材料の磁化方向を定めるために使用されてもよい。例えば、複数のワークピースとバインダーとを含む混合物を最初に混合するとき、複数のワークピースのそれぞれの各容易軸(例えばα”-Fe16N2のc軸)は実質的にランダムに配向(ランダムに配向またはほぼランダムに配向)していてもよい。複数のワークピースのそれぞれの容易軸が実質的にランダムに配向したバルク材料が形成される場合、バルク材料の磁気異方性は比較的小さいことがあり、これはバルク磁性材料の磁気特性(例えば、エネルギー積)を低下させることがある。 The mixture including the plurality of workpieces and the binder may then be exposed to an external magnetic field (94). The external magnetic field may have a predetermined orientation with respect to the mixture including the plurality of workpieces and the binder. This predetermined orientation may be used to define the magnetization direction of the bulk material. For example, when the mixture including the plurality of workpieces and the binder is initially mixed, the respective easy axes of each of the plurality of workpieces (e.g., the c-axes of α″-Fe 16 N 2 ) may be substantially randomly oriented (randomly oriented or near randomly oriented). When a bulk material is formed in which the respective easy axes of each of the plurality of workpieces are substantially randomly oriented, the magnetic anisotropy of the bulk material may be relatively small, which may degrade the magnetic properties (e.g., energy product) of the bulk magnetic material.
外部磁場を使用してワークピースのそれぞれの容易軸の少なくともいくつかを実質的に整列させることによって、バルク磁性材料の磁気異方性を増大させることができ、これによって、バルク磁性材料の磁気特性(例えばエネルギー積)を改善することができる。外部磁場は、例えば、複数のワークピースのそれぞれの磁化容易軸の少なくともいくつかを実質的に整列させることによって、バルク材料の磁化方向を定めることを可能にすることもできる。例えば、バインダーと複数のワークピースとの混合物は、最終磁性材料のニアネットシェイプを画定するモールド内に配置されてもよく、外部磁場をモールドに対して選択された方向に配向させてバルク材料の磁化方向を定めることができる。 The magnetic anisotropy of the bulk magnetic material can be increased by substantially aligning at least some of the easy axes of each of the workpieces using an external magnetic field, thereby improving the magnetic properties (e.g., energy product) of the bulk magnetic material. The external magnetic field can also enable the magnetization direction of the bulk material to be defined, for example, by substantially aligning at least some of the easy axes of each of the plurality of workpieces. For example, the mixture of the binder and the plurality of workpieces can be placed in a mold that defines the near net shape of the final magnetic material, and an external magnetic field can be oriented in a selected direction relative to the mold to define the magnetization direction of the bulk material.
いくつかの例において、外部磁場は、DCモード電磁石によって生成された静磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。いくつかの例において、外部磁場は、少なくとも0.2Tであることができる。いくつかの例において、外部磁場は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場は約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場は約8T~約10Tである。 In some examples, the external magnetic field may be a static magnetic field generated by a DC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field can be at least 0.2 T. In some examples, the external magnetic field may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field is about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field is about 8 T to about 10 T.
他の例において、外部磁場は、ACモード電磁石によって生成された変動磁場であってもよく、約0.01テスラ~約50テスラの磁束密度を有してもよい。いくつかの例において、外部磁場82は、少なくとも約0.2Tであることができる。外部磁場82は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、外部磁場82は約5T~約10Tである。他の例において、外部磁場82は約8T~約10Tである。いくつかの例において、外部磁場82は、ベルトキャスティングシステム60全体にわたって、または、少なくとも、溶融窒化鉄混合物70の容積及び窒化鉄ストリップ74の全体にわたって実質的に均一である。他の例において、外部磁場82は、位置の関数として変化してもよい。例えば、外部磁場82は、外部磁場の方向(図5の矢印の方向によって示される)に沿って変化してもよい。例えば、勾配は、約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)、例えば約0.01テスラ/メートル(約0.00001テスラ/ミリメートル)~約50テスラ/メートル(約0.05テスラ/ミリメートル)、または約1テスラ/メートル(約0.001テスラ/ミリメートル)~約1000テスラ/メートル(約1テスラ/ミリメートル)であることができる。いくつかの例において、勾配は、外部磁場82の磁束密度の単調増加または減少であることができる。 In other examples, the external magnetic field may be a varying magnetic field generated by an AC mode electromagnet and may have a magnetic flux density of about 0.01 Tesla to about 50 Tesla. In some examples, the external magnetic field 82 can be at least about 0.2 T. The external magnetic field 82 may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the external magnetic field 82 is about 5 T to about 10 T. In other examples, the external magnetic field 82 is about 8 T to about 10 T. In some examples, the external magnetic field 82 is substantially uniform throughout the belt casting system 60, or at least throughout the volume of the molten iron nitride mixture 70 and the iron nitride strip 74. In other examples, the external magnetic field 82 may vary as a function of position. For example, the external magnetic field 82 may vary along the direction of the external magnetic field (indicated by the direction of the arrow in FIG. 5). For example, the gradient can be from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter), such as from about 0.01 Tesla/meter (about 0.00001 Tesla/millimeter) to about 50 Tesla/meter (about 0.05 Tesla/millimeter), or from about 1 Tesla/meter (about 0.001 Tesla/millimeter) to about 1000 Tesla/meter (about 1 Tesla/millimeter). In some examples, the gradient can be a monotonically increasing or decreasing flux density of the external magnetic field 82.
バインダーと複数のワークピースとを含む混合物が外部磁場に曝されている間(94)、バインダーと複数のワークピースとを接合してバルク磁性材料を形成するために混合物を圧縮してもよい(96)。バインダーと複数のワークピースを含む混合物を圧縮すること(96)としては、混合物に圧力を加えることが挙げられる。例えば、圧力は、室温で約1メガパスカル(MPa)~約100ギガパスカル(GPa)であることができる。バインダーと複数のワークピースとを含む混合物の圧縮は、比較的低い温度(例えば、約-268.93℃(大気圧における液体ヘリウムの沸点)~ほぼ室温(約23℃))で実施することができる。あるいは、バインダーと複数のワークピースとを含む混合物の圧縮は、比較的高い温度(例えば、ほぼ室温(約23℃)~約210℃)で実施することができる。圧縮工程の生成物は、α”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料であることができる。 While the mixture including the binder and the plurality of workpieces is exposed to the external magnetic field (94), the mixture may be compressed (96) to bond the binder and the plurality of workpieces and form a bulk magnetic material. Compressing the mixture including the binder and the plurality of workpieces (96) may include applying a pressure to the mixture. For example, the pressure may be from about 1 megapascal (MPa) to about 100 gigapascals (GPa) at room temperature. Compressing the mixture including the binder and the plurality of workpieces may be performed at a relatively low temperature (e.g., from about -268.93°C (the boiling point of liquid helium at atmospheric pressure) to about room temperature (about 23°C)). Alternatively, compressing the mixture including the binder and the plurality of workpieces may be performed at a relatively high temperature (e.g., from about room temperature (about 23°C) to about 210°C). The product of the compressing step may be a bulk magnetic material including α″-Fe 16 N two- phase domains.
いくつかの例において、本明細書に記載したキャスティング及び圧縮プロセスは、α”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成するのと同一の全体技術で一緒に実施することができる。図11は、鉄と窒素を含む原料からα”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成するための例示的方法を示すフロー図である。図11の技術は、鉄と窒素を含む溶融混合物を形成すること(102)を含む。このステップは、図1に関して説明したステップ(12)と実質的に同じである。図11の技術は、外部磁場(104)の存在下で鉄と窒素を含む溶融混合物をキャスティングすることも含む。このステップは、図1に関して説明したステップ(14)と同様または実質的に同じであってもよい。 In some examples, the casting and compacting processes described herein can be performed together in the same overall technique for forming a bulk magnetic material comprising an α″-Fe 16 N two- phase domain. FIG. 11 is a flow diagram illustrating an exemplary method for forming a bulk magnetic material comprising an α″-Fe 16 N two -phase domain from a feedstock comprising iron and nitrogen. The technique of FIG. 11 includes forming a molten mixture comprising iron and nitrogen (102). This step is substantially similar to step (12) described with respect to FIG. 1. The technique of FIG. 11 also includes casting the molten mixture comprising iron and nitrogen in the presence of an external magnetic field (104). This step may be similar or substantially similar to step (14) described with respect to FIG. 1.
図11の技術は、必要に応じて、鉄と窒素を含む材料をプレスすること(106)も含む。鉄と窒素を含む材料は、鉄と窒素を含む所定のサイズの材料を得るためにプレスされてもよい。プレス工程中、鉄と窒素を含む材料の温度は約250℃未満に維持され、鉄と窒素を含む材料は、鉄と窒素を含む材料の所望の最終寸法(例えば、厚さまたは直径)に依存して、約5トン~50トンの圧力にさらされてもよい。いくつかの例において、プレスプロセスが完了したとき、鉄と窒素を含む材料は、1つまたは複数の軸において、約0.001mm~約50mm(例えばワイヤの場合は約0.1mm~約50mmの直径、リボンの場合は約0.001mm~約5mmの厚さ)の寸法を有するワークピースの形状であってもよい。鉄と窒素を含む材料は、プレスが完了した後に少なくとも1つのFe8N鉄窒化物相ドメインを含んでいてもよい。 The technique of FIG. 11 also optionally includes pressing (106) the iron and nitrogen containing material. The iron and nitrogen containing material may be pressed to obtain a predetermined size of the iron and nitrogen containing material. During the pressing step, the temperature of the iron and nitrogen containing material is maintained below about 250° C., and the iron and nitrogen containing material may be subjected to a pressure of about 5 tons to 50 tons depending on the desired final dimension (e.g., thickness or diameter) of the iron and nitrogen containing material. In some examples, when the pressing process is completed, the iron and nitrogen containing material may be in the shape of a workpiece having dimensions of about 0.001 mm to about 50 mm (e.g., diameter of about 0.1 mm to about 50 mm for wire, thickness of about 0.001 mm to about 5 mm for ribbon) in one or more axes. The iron and nitrogen containing material may include at least one Fe 8 N iron nitride phase domain after pressing is completed.
いくつかの例において、この技術は、必要に応じて、鉄と窒素を含む材料を急冷すること(108)も含む。急冷によって、鉄と窒素を含む材料の結晶構造及び相組成を固定することができる。例えば、急冷は、鉄と窒素を含む材料中でのFe8N相ドメインの形成を促進し得る。いくつかの例において、急冷プロセスの間、鉄と窒素を含む材料は、約0.5時間~約20時間にわたって650℃を超える温度に加熱され得る。いくつかの例において、鉄と窒素を含む材料の温度を、ワークピース合金のマルテンサイト温度(Ms)未満に急激に低下させてもよい。例えば、Fe16N2の場合、マルテンサイト温度(Ms)は約250℃である。急冷に使用される媒体としては、液体、例えば水、ブライン(塩濃度が約1%~約30%)、非水性液体または溶液、例えばオイルなど、または液体窒素が挙げられる。他の例において、急冷媒体は、約1sccm~約1000sccmの流量で窒素ガスなどのガスが挙げられる。他の例において、急冷媒体は、塩、砂などのような固体を含むことができる。いくつかの例において、鉄と窒素を含むワークピースは、急冷プロセス中に毎秒50℃を超える速度で冷却されてもよい。いくつかの例において、急冷プロセスは、磁場及び/または電場によって補助することができる。 In some examples, the technique also includes quenching (108) the iron and nitrogen containing material, if desired. Quenching can fix the crystal structure and phase composition of the iron and nitrogen containing material. For example, quenching can promote the formation of Fe 8 N phase domains in the iron and nitrogen containing material. In some examples, during the quenching process, the iron and nitrogen containing material can be heated to a temperature greater than 650° C. for about 0.5 hours to about 20 hours. In some examples, the temperature of the iron and nitrogen containing material can be rapidly reduced below the martensite temperature (Ms) of the workpiece alloy. For example, for Fe 16 N 2 , the martensite temperature (Ms) is about 250° C. Media used for quenching include liquids, such as water, brine (salt concentration of about 1% to about 30%), non-aqueous liquids or solutions, such as oil, or liquid nitrogen. In other examples, the quench medium can include a gas, such as nitrogen gas, at a flow rate of about 1 sccm to about 1000 sccm. In other examples, the quench medium can include solids such as salt, sand, etc. In some examples, a workpiece containing iron and nitrogen may be cooled at a rate of over 50° C. per second during the quenching process. In some examples, the quenching process can be assisted by a magnetic field and/or an electric field.
図11の技術は、さらに、鉄と窒素を含む材料の延伸(または引っ張り)及びアニール(110)、(112)を含むことができる。この引っ張りとアニールのプロセスは、鉄と窒素を含む材料中のFe8N鉄窒化物相ドメインの少なくともいくつかをFe16N2相ドメインに変換することができる。様々な歪み誘発装置を使用して、鉄と窒素を含む材料に歪みを加えることができる。例えば、鉄と窒素を含む材料は、第1の組のローラー及び第2の組のローラーによって受け取られ(例えば、巻き付けられ)、これらの組のローラーを反対方向に回転させて鉄と窒素を含む材料に引っ張り力を加えてもよい。他の例において、鉄と窒素を含む材料の両端を機械的把持具、例えばクランプにより把持し、機械的把持具を互いに離れる方向に移動させて鉄と窒素を含む材料に引っ張り力を加えてもよい。 The technique of FIG. 11 may further include stretching (or drawing) and annealing (110), (112) the iron- and nitrogen-containing material. This stretching and annealing process may convert at least some of the Fe 8 N iron nitride phase domains in the iron- and nitrogen-containing material to Fe 16 N 2 phase domains. Various strain-inducing devices may be used to apply strain to the iron- and nitrogen-containing material. For example, the iron- and nitrogen-containing material may be received (e.g., wrapped) by a first set of rollers and a second set of rollers, and the rollers of the sets may be rotated in opposite directions to apply a tension force to the iron- and nitrogen-containing material. In another example, both ends of the iron- and nitrogen-containing material may be held by mechanical grippers, e.g., clamps, and the mechanical grippers may be moved away from each other to apply a tension force to the iron- and nitrogen-containing material.
いくつかの例において、鉄と窒素を含む材料は、当該鉄と窒素を含む材料中の少なくとも1つの鉄結晶の<001>軸に対して実質的に平行(例えば平行またはほぼ平行(例えば平行から約5度以内))な方向に沿って引っ張られてもよい。歪み誘発装置は、鉄と窒素を含む材料を特定の伸び率まで引っ張ることができる。例えば、鉄と窒素を含む材料についての歪は約0.3%~約12%であり得る。他の例において、鉄と窒素を含む材料についての歪は、約0.3%未満または約12%超であり得る。いくつかの例において、鉄と窒素を含む材料にある程度の歪みを加えると、鉄(または窒化鉄)の個々の単位胞に実質的に同様の歪みが生じ、その結果、単位胞が約0.3%~約12%である。 In some examples, the iron-nitrogen containing material may be stretched along a direction that is substantially parallel (e.g., parallel or nearly parallel (e.g., within about 5 degrees of parallel)) to the <001> axis of at least one iron crystal in the iron-nitrogen containing material. The strain inducing device may stretch the iron-nitrogen containing material to a particular elongation. For example, the strain for the iron-nitrogen containing material may be about 0.3% to about 12%. In other examples, the strain for the iron-nitrogen containing material may be less than about 0.3% or greater than about 12%. In some examples, applying a certain strain to the iron-nitrogen containing material results in a substantially similar strain in the individual unit cells of the iron (or iron nitride), resulting in a unit cell that is about 0.3% to about 12%.
鉄と窒素を含む材料が歪んでいる間に、鉄と窒素を含む材料を加熱して、鉄と窒素を含む材料をアニールすることができる(112)。鉄と窒素を含む材料は、鉄と窒素を含む材料を約100℃~約250℃、例えば約120℃~約200℃の温度に加熱することによってアニールされてもよい。鉄と窒素を含む材料を歪ませながら当該鉄と窒素を含む材料をアニールすることによって、窒化鉄相ドメインの少なくともいくつかをα”-Fe16N2相ドメインに変換することを促進することができる。 While the iron- and nitrogen-containing material is strained, the iron- and nitrogen-containing material may be heated to anneal the iron- and nitrogen-containing material (112). The iron- and nitrogen-containing material may be annealed by heating the iron- and nitrogen-containing material to a temperature between about 100° C. and about 250° C., such as between about 120° C. and about 200° C. Annealing the iron- and nitrogen-containing material while straining it may facilitate converting at least some of the iron nitride phase domains to α″-Fe 16 N two- phase domains.
アニールプロセスは、適切な格子間空間に窒素原子を拡散させるのに十分な所定の時間継続してもよい。いくつかの例において、アニールプロセスは約20時間~約100時間、例えば約40時間~約60時間継続する。いくつかの例において、アニールプロセスは、鉄の酸化を低減または実質的に妨げるために、例えばArなどの不活性雰囲気下で実施することができる。いくつかの実施形態において、鉄と窒素を含む材料をアニールする間、温度は実質的に一定に保たれる。鉄と窒素を含む材料の延伸(110)及びアニール(112)によって、少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む磁性材料をもたらすことができる。 The annealing process may continue for a predetermined time sufficient to diffuse the nitrogen atoms into the appropriate interstitial spaces. In some examples, the annealing process lasts from about 20 hours to about 100 hours, such as from about 40 hours to about 60 hours. In some examples, the annealing process may be performed under an inert atmosphere, such as, for example, Ar, to reduce or substantially prevent oxidation of the iron. In some embodiments, the temperature is held substantially constant while annealing the iron and nitrogen comprising material. The stretching (110) and annealing (112) of the iron and nitrogen comprising material may result in a magnetic material comprising at least one α″-Fe 16 N two -phase domain.
いくつかの例において、鉄と窒素を含む材料の延伸(110)及びアニール(112)の間、鉄と窒素を含む材料を外部磁場に曝してもよい。印加磁場の存在下で窒化鉄材料をアニールすることによって、窒化鉄材料におけるFe16N2相の形成を促進することができる。Fe16N2相の体積分率の増加は、窒化鉄を含む磁性材料の磁気特性を改善することができる。改善される磁気特性としては、例えば、保磁力、磁化及び磁気配向が挙げられる。いくつかの例において、印加磁場は、少なくとも0.2テスラ(T)であることができる。磁場アニールが行われる温度は、少なくとも部分的に、窒化鉄基組成物へのさらなる元素添加及び窒化鉄基組成物を最初に合成するために使用されるアプローチに依存し得る。いくつかの例において、磁場は、少なくとも約0.2T、少なくとも約2T、少なくとも約2.5T、少なくとも約6T、少なくとも約7T、少なくとも約8T、少なくとも約9T、少なくとも約10T、またはそれよりも高くてもよい。いくつかの例において、磁場は約5T~約10Tである。他の例において、磁場は約8T~約10Tである。鉄と窒素を含む材料をアニールすることに関するさらなる詳細は、2014年6月30日に出願された米国仮出願第62/019,046号に記載されている。 In some examples, the iron and nitrogen-containing material may be exposed to an external magnetic field during drawing (110) and annealing (112) of the iron and nitrogen-containing material. Annealing the iron nitride material in the presence of an applied magnetic field may promote the formation of the Fe 16 N 2 phase in the iron nitride material. Increasing the volume fraction of the Fe 16 N 2 phase may improve the magnetic properties of the iron nitride-containing magnetic material. The improved magnetic properties may include, for example, coercivity, magnetization, and magnetic orientation. In some examples, the applied magnetic field may be at least 0.2 Tesla (T). The temperature at which the magnetic field annealing is performed may depend, at least in part, on the additional element additions to the iron nitride-based composition and the approach used to initially synthesize the iron nitride-based composition. In some examples, the magnetic field may be at least about 0.2 T, at least about 2 T, at least about 2.5 T, at least about 6 T, at least about 7 T, at least about 8 T, at least about 9 T, at least about 10 T, or higher. In some examples, the magnetic field is about 5 T to about 10 T. In other examples, the magnetic field is between about 8 T and about 10 T. Further details regarding annealing materials containing iron and nitrogen are provided in U.S. Provisional Application No. 62/019,046, filed June 30, 2014.
図11の技術は、バインダー材料とともに少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む磁性材料の複数のワークピースを圧縮してバルク磁性材料を形成すること(114)を含んでもよい。この工程は、図10を参照して説明した技術と同様であってもよいし、実質的に同じであってもよい。 The technique of FIG. 11 may include compressing (114) a plurality of workpieces of magnetic material including at least one α″-Fe 16 N two -phase domain with a binder material to form a bulk magnetic material. This step may be similar or substantially the same as the technique described with reference to FIG. 10.
図11の技術は、さらに、バルク磁性材料を成形すること(116)を含んでもよい(必要に応じて)。この成形プロセスは、例えば、バルク磁性材料の表面をスライスまたは研削してバルク磁性材料を所定の最終形状を形成することを含んでもよい。最後に、図11の技術は、さらに、バルク磁性材料を着磁すること(118)を含んでもよい(必要に応じて)。このように、図11の技術は、α”-Fe16N2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成するための例示的な技術を記載する。 The technique of FIG. 11 may further include shaping (116) the bulk magnetic material (if desired). This shaping process may include, for example, slicing or grinding the surface of the bulk magnetic material to form the bulk magnetic material into a desired final shape. Finally, the technique of FIG. 11 may further include magnetizing (118) the bulk magnetic material (if desired). Thus, the technique of FIG. 11 describes an exemplary technique for forming a bulk magnetic material including α″-Fe 16 N two -phase domains.
第1項:印加磁場の存在下で鉄を含む材料をキャスティングして一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する、方法。 Clause 1: A method comprising casting an iron-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one iron-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
第2項:鉄を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングして少なくとも1つの窒化鉄相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、第1項に記載の方法。 Clause 2: The method of clause 1, wherein casting the iron-containing material includes casting the iron- and nitrogen-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece including at least one iron nitride phase domain.
第3項:鉄を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で、鉄とC、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む材料をキャスティングして一軸磁気異方性を有する少なくとも1つの相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、第1項に記載の方法。 Clause 3: The method of clause 1, wherein casting the material comprising iron comprises casting a material comprising iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn or Al in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one phase domain having uniaxial magnetic anisotropy.
第4項:印加磁場の存在下で鉄を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で鉄を含む材料をキャスティングして少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含むワークピースを形成することを含み、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、アスペクト比は、異方性結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、第1項~第3項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 4: The method of any one of clauses 1 to 3, wherein casting the iron-containing material in the presence of an applied magnetic field includes casting the iron-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece including at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain, the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension of the anisotropic crystal grain to the length of the shortest dimension, the longest dimension and the shortest dimension being substantially orthogonal.
第5項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、第4項に記載の方法。 Item 5: The method of item 4, wherein at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
第6項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向される、第4項または第5項に記載の方法。 Item 6: The method of items 4 or 5, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains, and the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains are oriented substantially parallel to each other.
第7項:複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が印加磁場の方向と実質的に平行に配向される、第4項~第6項のいずれか一項に記載の方法。 Item 7: The method according to any one of items 4 to 6, in which the major axis of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains is oriented substantially parallel to the direction of the applied magnetic field.
第8項:各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、第4項~第7項のいずれか一項に記載の方法。 Item 8: The method according to any one of items 4 to 7, in which, for each anisotropically shaped iron-based crystal grain, the respective easy axes of magnetocrystalline anisotropy are substantially parallel to the respective longest axes.
第9項:印加磁場の強度が約0.02Tを超える、第1項~第8項のいずれか一項に記載の方法。 Item 9: The method according to any one of items 1 to 8, wherein the strength of the applied magnetic field exceeds about 0.02 T.
第10項:印加磁場の強度が約2.5Tを超える、第1項~第8項のいずれか一項に記載の方法。 Item 10: The method according to any one of items 1 to 8, wherein the strength of the applied magnetic field exceeds about 2.5 T.
第11項:印加磁場の強度が約9Tを超える、第1項~第8項のいずれか一項に記載の方法。 Item 11: The method according to any one of items 1 to 8, wherein the strength of the applied magnetic field exceeds about 9 T.
第12項:印加磁場の強度が約50T未満である、第1項~第11項のいずれか一項に記載の方法。 Item 12: The method according to any one of items 1 to 11, wherein the strength of the applied magnetic field is less than about 50 T.
第13項:前記材料が、さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、第1項~第12項のいずれか一項に記載の方法。 Item 13: The method according to any one of items 1 to 12, wherein the material further comprises at least one dopant.
第14項:前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、第13項に記載の方法。 Clause 14: The method of clause 13, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
第15項:前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、第13項に記載の方法。 Item 15: The method of item 13, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
第16項:キャスティング前に、前記材料中の窒素の濃度が約8原子パーセント(at.%)~約9at.%である、第2項に記載の方法。 Item 16: The method of item 2, wherein the concentration of nitrogen in the material is about 8 atomic percent (at.%) to about 9 at.% prior to casting.
第17項:キャスティングが、
鉄を含む混合物を加熱して鉄を含む溶融混合物を形成すること、及び、
鉄を含む溶融混合物を冷却してワークピースを形成すること、
を含む、第1項~第16項のいずれか一項に記載の方法。
Clause 17: Casting
heating the iron-containing mixture to form a molten iron-containing mixture; and
cooling the iron-containing molten mixture to form a workpiece;
17. The method of any one of claims 1 to 16, comprising:
第18項:溶融混合物を冷却することが、溶融混合物を急冷媒体中で急冷することを含む、第17項に記載の方法。 Item 18: The method of item 17, wherein cooling the molten mixture includes quenching the molten mixture in a quench medium.
第19項:急冷媒体が、水、氷水、ブライン、オイル、アンモニア水またはアミドのうちの少なくとも1種を含む、第18項に記載の方法。 Item 19: The method of item 18, wherein the quench medium comprises at least one of water, ice water, brine, oil, aqueous ammonia, or an amide.
第20項:鉄を含む混合物を加熱することが、鉄を含む混合物を印加磁場の存在下で加熱することを含み、鉄を含む溶融混合物を冷却することが、鉄を含む溶融混合物を印加磁場の存在下で冷却することを含む、第17項~第19項のいずれか一項に記載の方法。 Item 20: The method of any one of items 17 to 19, wherein heating the mixture containing iron comprises heating the mixture containing iron in the presence of an applied magnetic field, and cooling the molten mixture containing iron comprises cooling the molten mixture containing iron in the presence of an applied magnetic field.
第21項:鉄を含む混合物を加熱することが、鉄を含む混合物を、高周波炉を使用してるつぼ内で加熱することを含む、第17項~第20項のいずれか一項に記載の方法。 Item 21: The method according to any one of items 17 to 20, wherein heating the mixture containing iron includes heating the mixture containing iron in a crucible using a high-frequency furnace.
第22項:鉄を含む混合物を加熱することが、鉄を含む混合物を冷るつぼ内で加熱することを含み、前記混合物が被覆材内に実質的に封入される、第17項~第20項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 22: The method of any one of clauses 17 to 20, wherein heating the iron-containing mixture includes heating the iron-containing mixture in a cold crucible, and the mixture is substantially encapsulated in the coating material.
第23項:鉄を含む溶融混合物を冷却することが、鉄を含む溶融混合物を冷却ローラーの間で冷却してワークピースを形成することを含む、第17項~第20項のいずれか一項に記載の方法。 Item 23: The method of any one of items 17 to 20, wherein cooling the iron-containing molten mixture includes cooling the iron-containing molten mixture between cooling rollers to form a workpiece.
第24項:各ワークピースが一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースを印加磁場の存在下で圧縮して一軸磁気異方性を含む複数の鉄基相ドメインを含むバルク材料を形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも0.01テスラ(T)の強度を有し、前記印加磁場がバルク材料の磁化方向を定める、方法。 Clause 24: A method comprising compressing a plurality of workpieces, each workpiece including at least one iron-based phase domain including uniaxial magnetic anisotropy, in the presence of an applied magnetic field to form a bulk material including a plurality of iron-based phase domains including uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a magnitude of at least 0.01 Tesla (T), the applied magnetic field defining a magnetization direction of the bulk material.
第25項:一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインが少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む、第24項に記載の方法。 Clause 25: The method of clause 24, wherein the at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy comprises at least one α″-Fe 16 N 2- phase domain.
第26項:一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインが、体心正方晶系鉄相ドメイン、または、体心正方晶系結晶構造を有し、かつ、鉄とC、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、AlもしくはZnのうちの少なくとも1種とを含む相ドメイン、のうちの少なくとも1種を含む、第24項または第25項に記載の方法。 Item 26: The method according to item 24 or 25, wherein at least one iron-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy comprises at least one of a body-centered tetragonal iron phase domain or a phase domain having a body-centered tetragonal crystal structure and comprising iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Al, or Zn.
第27項:各ワークピースが、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメイン及び少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含み、少なくとも1種の異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、アスペクト比が最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、第24~26項に記載の方法。 Clause 27: The method of clauses 24-26, wherein each workpiece comprises at least one iron-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy and at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension to the length of the shortest dimension, the longest dimension and the shortest dimension being substantially perpendicular.
第28項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、第27項に記載の方法。 28. The method of claim 27, wherein at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
第29項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向される、第27項または第28項に記載の方法。 Clause 29: The method of clause 27 or clause 28, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains, and the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains are oriented substantially parallel to each other.
第30項:複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が印加磁場の方向と実質的に平行に配向される、第27項~第29項のいずれか一項に記載の方法。 Item 30: The method according to any one of items 27 to 29, wherein the major axis of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains is oriented substantially parallel to the direction of the applied magnetic field.
第31項:各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、第27項~第30項のいずれか一項に記載の方法。 Item 31: The method of any one of items 27 to 30, wherein for each anisotropically shaped iron-based crystal grain, the respective easy axes of magnetocrystalline anisotropy are substantially parallel to the respective longest axes.
第32項:印加磁場の強度が約0.02Tを超える、第24項~第31項のいずれか一項に記載の方法。 Item 32: The method according to any one of items 24 to 31, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 0.02 T.
第33項:印加磁場の強度が約2.5Tを超える、第24項~第31項のいずれか一項に記載の方法。 Item 33: The method according to any one of items 24 to 31, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 2.5 T.
第34項:印加磁場の強度が約9Tを超える、第24項~第31項のいずれか一項に記載の方法。 Item 34: The method according to any one of items 24 to 31, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 9 T.
第35項:印加磁場の強度が約50T未満である、第24項~第34項のいずれか一項に記載の方法。 Item 35: The method according to any one of items 24 to 34, wherein the strength of the applied magnetic field is less than about 50 T.
第36項:複数のワークピースのうちの少なくとも1つが、さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、第24項~第35項のいずれか一項に記載の方法。 Item 36: The method of any one of items 24 to 35, wherein at least one of the plurality of workpieces further comprises at least one dopant.
第37項:少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、第36項に記載の方法。 Clause 37: The method of clause 36, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
第38項:少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、第36項に記載の方法。 Item 38: The method of item 36, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
第39項:印加磁場が、複数のワークピースのうちの少なくともいくつかの磁化容易軸を実質的に整列させることを促進する、第24項~第38項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 39: The method of any one of clauses 24 to 38, wherein the applied magnetic field promotes substantial alignment of the easy magnetic axes of at least some of the plurality of workpieces.
第40項:複数のワークピースを圧縮することが、複数のワークピースを樹脂、ワックスまたは低融点金属のうちの少なくとも1つと混合して混合物を形成すること、及び、当該混合物をプレスしてバルク材料を形成することを含む、第24項~第39項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 40: The method of any one of clauses 24 to 39, wherein compressing the plurality of workpieces includes mixing the plurality of workpieces with at least one of a resin, a wax, or a low melting point metal to form a mixture, and pressing the mixture to form a bulk material.
第41項:混合物をプレスすることが、約1MPa~約100GPaの圧力で混合物をプレスすることを含む、第40項に記載の方法。 Item 41: The method of item 40, wherein pressing the mixture includes pressing the mixture at a pressure of about 1 MPa to about 100 GPa.
第42項:混合物をプレスすることが、約4.2ケルビン~約295ケルビンの温度で混合物をコールドプレスすることを含む、第40項または第41項に記載の方法。 Clause 42: The method of clause 40 or clause 41, wherein pressing the mixture comprises cold pressing the mixture at a temperature of about 4.2 Kelvin to about 295 Kelvin.
第43項:混合物をプレスすることが、約295ケルビン~約533ケルビンの温度で混合物をホットプレスすることを含む、第40項または第41項に記載の方法。 Clause 43: The method of clause 40 or clause 41, wherein pressing the mixture comprises hot pressing the mixture at a temperature of about 295 Kelvin to about 533 Kelvin.
第44項:複数のワークピースを、樹脂、ワックスまたは低融点金属のうちの少なくとも1つと混合することが、複数のワークピースを低融点金属材料と混合することを含み、低融点金属がZn、Sn、Bi、Ga、NaまたはLiのうちの少なくとも1種を含む、第40項~第43項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 44: The method of any one of clauses 40 to 43, wherein mixing the plurality of workpieces with at least one of a resin, a wax, or a low melting point metal includes mixing the plurality of workpieces with a low melting point metal material, the low melting point metal including at least one of Zn, Sn, Bi, Ga, Na, or Li.
第45項:複数のワークピースのうちの1つのワークピースが、粉末、リボンまたはワイヤのうちの少なくとも1つを成している、第24項~第44項のいずれか一項に記載の方法。 Item 45: The method of any one of items 24 to 44, wherein one of the workpieces is at least one of a powder, a ribbon, or a wire.
第46項:さらに、第1項~第22項のいずれか一項に記載の方法を含み、ワークピースが複数のワークピースのうちの1つである、第24項~第43項のいずれか一項に記載の方法。 Clause 46: The method of any one of clauses 24 to 43, further comprising the method of any one of clauses 1 to 22, wherein the workpiece is one of a plurality of workpieces.
第47項:第1項~第46項のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された装置。 Clause 47: An apparatus configured to carry out the method according to any one of clauses 1 to 46.
第48項:第1項~第23項のいずれか一項に記載の方法によって形成されたワークピース。 Item 48: A workpiece formed by the method according to any one of items 1 to 23.
第49項:第24項~第46項のいずれか一項に記載の方法によって形成されたバルク材料。 Item 49: A bulk material formed by the method of any one of items 24 to 46.
第50項:バルク材料がバルク永久磁石である、第49項に記載のバルク材料。 Item 50: The bulk material according to item 49, wherein the bulk material is a bulk permanent magnet.
第51項:印加磁場の存在下でニッケル、鉄及びコバルトのうちの少なくとも1種を含む材料をキャスティングして、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つのニッケル、鉄またはコバルトに基づく相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する、方法。 51. A method comprising: casting a material comprising at least one of nickel, iron and cobalt in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one nickel-, iron- or cobalt-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
第52項:金属が鉄を含む、第51項に記載の方法。 Item 52: The method of item 51, wherein the metal includes iron.
第53項:鉄を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングして少なくとも1つの窒化鉄相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、第52項に記載の方法。 53. The method of claim 52, wherein casting the iron-containing material comprises casting the iron- and nitrogen-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one iron nitride phase domain.
第54項:ニッケル、鉄またはコバルトのうちの少なくとも1種を含む前記材料が、さらに、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種を含む、第51項~第53項のいずれか一項に記載の方法。 Item 54: The method according to any one of items 51 to 53, wherein the material containing at least one of nickel, iron, or cobalt further contains at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al.
第55項:前記材料が、さらに、少なくとも1種のドーパントを含み、前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、第51項~第54項のいずれか一項に記載の方法。 Item 55: The method according to any one of items 51 to 54, wherein the material further comprises at least one dopant, and the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
第56項:さらに、複数のワークピースを圧縮することを含む、第51項~第55項のいずれか一項に記載の方法。 Item 56: The method of any one of items 51 to 55, further comprising compressing the plurality of workpieces.
第57項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含み、前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比は異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、ワークピース。 57. A workpiece comprising at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension of the anisotropic grain to the length of the shortest dimension, the longest dimension and the shortest dimension being substantially perpendicular.
第58項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、第57項に記載のワークピース。 Clause 58: The workpiece of clause 57, wherein at least one anisotropically shaped iron-based grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
第59項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向している、第57項または第58項に記載のワークピース。 59. The workpiece of claim 57 or 58, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains, the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains being oriented substantially parallel to one another.
第60項:さらに、一軸磁気異方性を含む少なくとも一つの鉄基相ドメインを含み、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒の最長寸法が一軸磁気異方性の方向と実質的に平行である、第57項~第59項のいずれか一項に記載のワークピース。 Item 60: The workpiece of any one of items 57 to 59, further comprising at least one iron-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy, and wherein the longest dimension of at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain is substantially parallel to the direction of the uniaxial magnetic anisotropy.
第61項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が窒化鉄を含む、第57項~第60項のいずれか一項に記載のワークピース。 Item 61: A workpiece according to any one of items 57 to 60, in which at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain comprises iron nitride.
第62項:窒化鉄がα”-Fe16N2を含む、第61項に記載のワークピース。 Item 62: The workpiece of item 61, wherein the iron nitride comprises α″-Fe 16 N 2 .
第63項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が、鉄と、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む、第57項~第60項のいずれか一項に記載のワークピース。 Clause 63: A workpiece according to any one of clauses 57 to 60, in which at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain contains iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al.
第64項:さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、第57項~第63項のいずれか一項に記載のワークピース。 Item 64: The workpiece according to any one of items 57 to 63, further comprising at least one dopant.
第65項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が前記ドーパントを含む、第64項に記載のワークピース。 Item 65: The workpiece of item 64, wherein at least one anisotropically shaped iron-based grain contains the dopant.
第66項:前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、第64項または第65項に記載のワークピース。 Clause 66: The workpiece of clause 64 or 65, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
第67項:前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、第64項または第65項に記載のワークピース。 Item 67: The workpiece according to item 64 or 65, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
第68項:各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、第57項~第67項のいずれか一項に記載のワークピース。 Item 68: A workpiece according to any one of items 57 to 67, in which for each anisotropically shaped iron-based crystal grain, the respective easy axes of magnetocrystalline anisotropy are substantially parallel to the respective longest axes.
第69項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含み、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比が異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、バルク永久磁石。 Item 69: A bulk permanent magnet comprising at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain, the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension of the anisotropic crystal grain to the length of the shortest dimension, the longest dimension and the shortest dimension being substantially perpendicular.
第70項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、第69項に記載のバルク永久磁石。 Item 70: A bulk permanent magnet as described in Item 69, in which at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
第71項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含む、複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向している、第69項または第70項に記載のバルク永久磁石。 Item 71: A bulk permanent magnet as described in item 69 or 70, in which at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain includes a plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains, the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystal grains being oriented substantially parallel to each other.
第72項:さらに、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含み、少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒の最長寸法が一軸磁気異方性の方向と実質的に平行である、第69項~第71項のいずれか一項に記載のバルク永久磁石。 Item 72: A bulk permanent magnet according to any one of items 69 to 71, further comprising at least one iron-based phase domain having uniaxial magnetic anisotropy, and wherein the longest dimension of at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain is substantially parallel to the direction of the uniaxial magnetic anisotropy.
第73項:前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が窒化鉄を含む、第69項~第72項のいずれか一項に記載のバルク永久磁石。 Item 73: A bulk permanent magnet according to any one of items 69 to 72, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain comprises iron nitride.
第74項:前記窒化鉄がα”-Fe16N2を含む、第73項に記載のバルク永久磁石。 Item 74: The bulk permanent magnet of item 73, wherein the iron nitride comprises α″-Fe 16 N 2 .
第75項:前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が、鉄とC、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む、第69項~第72項のいずれか一項に記載のバルク永久磁石。 Item 75: A bulk permanent magnet according to any one of items 69 to 72, in which the at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain contains iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al.
第76項:さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、第69項~第75項のいずれか一項に記載のバルク永久磁石。 Item 76: A bulk permanent magnet according to any one of items 69 to 75, further comprising at least one dopant.
第77項:少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が前記ドーパントを含む、第76項に記載のバルク永久磁石。 Item 77: A bulk permanent magnet as described in Item 76, in which at least one anisotropically shaped iron-based crystal grain contains the dopant.
第78項:前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、第76項または第77項に記載のバルク永久磁石。 Item 78: A bulk permanent magnet according to item 76 or 77, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
第79項:前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、第76項または第77項に記載のバルク永久磁石。 Item 79: A bulk permanent magnet according to item 76 or 77, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si or O.
第80項:各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、第69項~第79項のいずれか一項に記載のバルク永久磁石。 Item 80: A bulk permanent magnet according to any one of items 69 to 79, in which, for each anisotropically shaped iron-based crystal grain, the respective easy axes of magnetocrystalline anisotropy are substantially parallel to the respective longest axes.
図12は、外部磁場を印加して及び印加せずにキャスティングされた窒化鉄材料からの例示的X線回折スペクトルを示す。より濃い色のトレースは、磁場の存在下でキャスティングした場合の相組成を示す。より薄い色のトレースは、磁場を印加せずにキャスティングした場合の相組成を示す。試料中の窒素濃度は平均して約5at.%及び約8at.%であった。試料を、約650℃で、9Tの磁場を印加し、及び、印加せず、約4時間加熱した。試料を氷水中にキャストした。冷却速度は約200℃/秒であると推定された。表2は、磁気キャスティング後の図12に示したピークの変化を示す。 Figure 12 shows exemplary X-ray diffraction spectra from iron nitride material cast with and without an external magnetic field. The darker traces show the phase composition when cast in the presence of a magnetic field. The lighter traces show the phase composition when cast without an applied magnetic field. The nitrogen concentrations in the samples averaged about 5 at.% and about 8 at.%. The samples were heated at about 650°C for about 4 hours with and without a 9 T magnetic field. The samples were cast in ice water. The cooling rate was estimated to be about 200°C/sec. Table 2 shows the changes in the peaks shown in Figure 12 after magnetic casting.
種々の例が記載されている。これらの例及び他の例は、以下の特許請求の範囲内にある。
本発明に関連する発明の実施態様の一部を以下に示す。
[態様1]
少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含むワークピースであって、前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比は、前記異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、前記最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、ワークピース。
[態様2]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、態様1に記載のワークピース。
[態様3]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、前記複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向している、態様1または2に記載のワークピース。
[態様4]
さらに、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含み、前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒の前記最長寸法が一軸磁気異方性の方向と実質的に平行である、態様1~3のいずれか一項に記載のワークピース。
[態様5]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が窒化鉄を含む、態様1~4のいずれか一項に記載のワークピース。
[態様6]
前記窒化鉄がα”-Fe16N2を含む、態様5に記載のワークピース。
[態様7]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が、鉄と、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む、態様1~4のいずれか一項に記載のワークピース。
[態様8]
さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、態様1~7のいずれか一項に記載のワークピース。
[態様9]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が前記ドーパントを含む、態様8に記載のワークピース。
[態様10]
前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、態様8または9に記載のワークピース。
[態様11]
前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、態様8または9に記載のワークピース。
[態様12]
各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、態様1~11のいずれか一項に記載のワークピース。
[態様13]
複数のワークピースを含むバルク永久磁石であって、前記複数のワークピースのうちの少なくとも1つのワークピースが態様1~12のいずれか一項に記載のワークピースを含む、バルク永久磁石。
[態様14]
前記複数のワークピースの各々が窒化鉄を含む、態様13に記載のバルク永久磁石。
[態様15]
態様13または14に記載のバルク永久磁石を含む物品。
[態様16]
前記物品が、電気モーター、発電機、センサー、アクチュエータ、自動車の構成部品、または風力タービンの構成部品を成す、態様15に記載の物品。
[態様17]
印加磁場の存在下で鉄を含む材料をキャスティングして一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する、方法。
[態様18]
鉄を含む前記材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングして少なくとも1つの窒化鉄相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、態様17に記載の方法。
[態様19]
鉄を含む前記材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で、鉄と、C、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む材料をキャスティングして一軸磁気異方性を有する少なくとも1つの相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、態様17に記載の方法。
[態様20]
前記印加磁場の存在下で鉄を含む前記材料をキャスティングすることが、前記印加磁場の存在下で鉄を含む前記材料をキャスティングして少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒を含むワークピースを形成することを含み、前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比は異方的結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、前記最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、態様17~19のいずれか一項に記載の方法。
[態様21]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、態様20に記載の方法。
[態様22]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、前記複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向される、態様20または21に記載の方法。
[態様23]
前記複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が前記印加磁場の方向と実質的に平行に配向され、各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、態様20~22のいずれか一項に記載の方法。
[態様24]
前記印加磁場の強度が約0.02Tを超える、態様17~23のいずれか一項に記載の方法。
[態様25]
前記印加磁場の強度が約2.5Tを超える、態様17~23のいずれか一項に記載の方法。
[態様26]
前記印加磁場の強度が約9Tを超える、態様17~23のいずれか一項に記載の方法。
[態様27]
前記印加磁場が、約0.01テスラ/メートル~約1000テスラ/メートルの勾配を有する、態様17~26のいずれか一項に記載の方法。
[態様28]
前記材料が、さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、態様17~27のいずれか一項に記載の方法。
[態様29]
前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、態様28に記載の方法。
[態様30]
前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、態様28に記載の方法。
[態様31]
キャスティングの前に、前記材料中の窒素の濃度が約8原子パーセント(at.%)~約9at.%である、態様18に記載の方法。
[態様32]
キャスティングが、
鉄を含む混合物を加熱して鉄を含む溶融混合物を形成すること、及び、
鉄を含む前記溶融混合物を冷却してワークピースを形成すること、
を含む、態様17~31のいずれか一項に記載の方法。
[態様33]
前記溶融混合物を冷却することが、水、氷水、ブライン、オイル、アンモニア水またはアミドのうちの少なくとも1種の中で前記溶融混合物を急冷することを含む、態様32に記載の方法。
[態様34]
鉄を含む前記溶融混合物を冷却することが、鉄を含む前記溶融混合物を冷却ローラーの間で冷却してワークピースを形成することを含む、態様32に記載の方法。
[態様35]
鉄を含む前記混合物を加熱することが、印加磁場の存在下で鉄を含む前記混合物を加熱することを含み、鉄を含む前記溶融混合物を冷却することが、鉄を含む前記溶融混合物を印加磁場の存在下で冷却することを含む、態様32~34のいずれか一項に記載の方法。
[態様36]
鉄を含む前記混合物を加熱することが、鉄を含む前記混合物を、高周波炉を使用して、るつぼ内で加熱することを含む、態様32~34のいずれか一項に記載の方法。
[態様37]
鉄を含む前記混合物を加熱することが、鉄を含む前記混合物を冷るつぼ内で加熱することを含み、前記混合物が被覆材内に実質的に封入される、態様32~34のいずれか一項に記載の方法。
[態様38]
さらに、複数のワークピースを圧縮してバルク材料を形成することを含む、態様17~37のいずれか一項に記載の方法。
[態様39]
前記複数のワークピースを圧縮して前記バルク材料を形成することが、印加磁場の存在下で前記複数のワークピースを圧縮して一軸磁気異方性を含む複数の鉄基相ドメインを含むバルク材料を形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する、態様38に記載の方法。
[態様40]
各ワークピースが一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインを含む複数のワークピースを印加磁場の存在下で圧縮して一軸磁気異方性を含む複数の鉄基相ドメインを含むバルク材料を形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも0.01テスラ(T)の強度を有し、前記印加磁場が前記バルク材料の磁化方向を定める、方法。
[態様41]
一軸磁気異方性を含む前記少なくとも1つの鉄基相ドメインが少なくとも1つのα”-Fe16N2相ドメインを含む、態様40に記載の方法。
[態様42]
一軸磁気異方性を含む前記少なくとも1つの鉄基相ドメインが、体心正方晶系鉄相ドメイン、または、体心正方晶系結晶構造を有し、かつ、鉄とC、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種とを含む相ドメイン、のうちの少なくとも1種を含む、態様40または41に記載の方法。
[態様43]
一軸磁気異方性を含む前記少なくとも1種の鉄基相ドメインが、少なくとも1種の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、前記少なくとも1種の異方的形状の鉄基結晶粒が約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比が最短寸法の長さに対する最長寸法の長さとの比として定義され、前記最長寸法と最短寸法は実質的に直交している、態様40~42のいずれか一項に記載の方法。
[態様44]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が約5nm~約300nmの最短寸法を示す、態様43に記載の方法。
[態様45]
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒が複数の異方的形状の鉄基結晶粒を含み、前記複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が互いに実質的に平行に配向される、態様43または44に記載の方法。
[態様46]
前記複数の異方的形状の鉄基結晶粒のそれぞれの長軸が印加磁場の方向と実質的に平行に配向され、前記各異方的形状の鉄基結晶粒について、磁気結晶異方性のそれぞれの容易軸がそれぞれの最長軸と実質的に平行である、態様43~45のいずれか一項に記載の方法。
[態様47]
前記印加磁場の強度が約0.02Tを超える、態様40~46のいずれか一項に記載の方法。
[態様48]
前記印加磁場の強度が約2.5Tを超える、態様40~46のいずれか一項に記載の方法。
[態様49]
前記印加磁場の強度が約9Tを超える、態様40~46のいずれか一項に記載の方法。
[態様50]
前記印加磁場が、約0.01テスラ/メートル~約1000テスラ/メートルの勾配を有する、態様40~49のいずれか一項に記載の方法。
[態様51]
前記複数のワークピースのうちの少なくとも1つが、さらに、少なくとも1種のドーパントを含む、態様40~51のいずれか一項に記載の方法。
[態様52]
前記少なくとも1種のドーパントが、Al、Mn、La、Cr、Co、Ti、Ni、Zn、Zr、Caまたは希土類金属のうちの少なくとも1種を含む、態様51に記載の方法。
[態様53]
前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、態様51に記載の方法。
[態様54]
前記印加磁場が、前記複数のワークピースのうちの少なくともいくつかの磁化容易軸を実質的に整列させることを促進する、態様40~53のいずれか一項に記載の方法。
[態様55]
前記複数のワークピースを圧縮することが、複数のワークピースを樹脂、ワックスまたは低融点金属のうちの少なくとも1つと混合して混合物を形成すること、及び、当該混合物をプレスしてバルク材料を形成することを含む、態様40~54のいずれか一項に記載の方法。
[態様56]
前記混合物をプレスすることが、約1MPa~約100GPaの圧力で混合物をプレスすることを含む、態様55に記載の方法。
[態様57]
前記混合物をプレスすることが、約4.2ケルビン~約295ケルビンの温度で前記混合物をコールドプレスすることを含む、態様55または56に記載の方法。
[態様58]
前記混合物をプレスすることが、約295ケルビン~約533ケルビンの温度で前記混合物をホットプレスすることを含む、態様55または56に記載の方法。
[態様59]
前記複数のワークピースを、樹脂、ワックスまたは低融点金属のうちの少なくとも1つと混合することが、前記複数のワークピースを低融点材料と混合することを含み、前記低融点金属がZn、Sn、Bi、Ga、NaまたはLiのうちの少なくとも1種を含む、態様55~58のいずれか一項に記載の方法。
[態様60]
前記複数のワークピースのうちの1つのワークピースが、粉末、リボンまたはワイヤのうちの少なくとも1つを成している、態様40~59のいずれか一項に記載の方法。
[態様61]
さらに、態様17~39のいずれか一項に記載の方法を含み、態様17~39のいずれか一項に記載の方法によって形成された前記ワークピースが前記複数のワークピースのうちの1つである、態様40~60のいずれか一項に記載の方法。
[態様62]
態様17~61のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された装置。
[態様63]
態様17~39のいずれか一項に記載の方法によって形成されたワークピース。
[態様64]
態様40~61のいずれか一項に記載の方法によって形成されたバルク材料。
[態様65]
前記バルク材料がバルク永久磁石である、態様64に記載のバルク材料。
[態様66]
前記複数のワークピースの各々が窒化鉄を含む、態様65に記載のバルク永久磁石。
[態様67]
態様65または66に記載のバルク永久磁石を含む物品。
[態様68]
前記物品が、電気モーター、発電機、センサー、アクチュエータ、自動車の構成部品、または風力タービンの構成部品を構成する、態様67に記載の物品。
[態様69]
印加磁場の存在下でニッケル、鉄及びコバルトのうちの少なくとも1種を含む材料をキャスティングして、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つのニッケル、鉄またはコバルトに基づく相ドメインを含むワークピースを形成することを含み、前記印加磁場が少なくとも約0.01テスラ(T)の強度を有する、方法。
[態様70]
金属が鉄を含む、態様69に記載の方法。
[態様71]
鉄を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下で鉄と窒素を含む材料をキャスティングして少なくとも1つの窒化鉄相ドメインを含むワークピースを形成することを含む、態様70に記載の方法。
[態様72]
ニッケル、鉄またはコバルトのうちの少なくとも1種を含む材料をキャスティングすることが、印加磁場の存在下でC、B、O、P、Y、Mn、Co、Cr、Si、ZnまたはAlのうちの少なくとも1種を含み、一軸磁気異方性を有する少なくとも1つの相ドメインを含むワークピースを形成する、態様69~71のいずれか一項に記載の方法。
[態様73]
前記材料が、さらに、少なくとも1種のドーパントを含み、前記少なくとも1種のドーパントが、B、C、P、SiまたはOのうちの少なくとも1種を含む、態様69~72のいずれか一項に記載の方法。
[態様74]
さらに、複数のワークピースを圧縮することを含む、態様69~73のいずれか一項に記載の方法。
[態様75]
前記印加磁場が、約0.01テスラ/メートル~約1000テスラ/メートルの勾配を有する、態様69~74のいずれか一項に記載の方法。
[態様76]
態様69~75のいずれか一項に記載の方法によって形成されたワークピース。
[態様77]
態様76に記載のワークピースを複数含むバルク材料。
[態様78]
前記バルク材料がバルク永久磁石である、態様77に記載のバルク材料。
[態様79]
態様78に記載のバルク永久磁石を含む物品。
[態様80]
前記物品が、電気モーター、発電機、センサー、アクチュエータ、自動車の構成部品、または風力タービンの構成部品を構成する、態様79に記載の物品。
Various examples have been described. These and other examples are within the scope of the following claims.
Some of the embodiments of the invention related to the present invention are shown below.
[Aspect 1]
1. A workpiece comprising at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of a length of a longest dimension of the anisotropic grain to a length of a shortest dimension thereof, the longest and shortest dimensions being substantially orthogonal.
[Aspect 2]
2. The workpiece of claim 1, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
[Aspect 3]
3. The workpiece of claim 1 or 2, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based grains, the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based grains being oriented substantially parallel to one another.
[Aspect 4]
4. The workpiece of any one of aspects 1-3, further comprising at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy, wherein the longest dimension of the at least one anisotropically shaped iron-based grain is substantially parallel to a direction of the uniaxial magnetic anisotropy.
[Aspect 5]
A workpiece as recited in any one of aspects 1-4, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises iron nitride.
[Aspect 6]
6. The workpiece of claim 5, wherein the iron nitride comprises α″-Fe 16 N 2 .
[Aspect 7]
A workpiece as recited in any one of aspects 1-4, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al.
[Aspect 8]
The workpiece of any one of the preceding aspects, further comprising at least one dopant.
[Aspect 9]
9. The workpiece of claim 8, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises the dopant.
[Aspect 10]
10. The workpiece of claim 8 or 9, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
[Aspect 11]
10. The workpiece of claim 8 or 9, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
[Aspect 12]
A workpiece as claimed in any one of aspects 1-11, wherein for each anisotropically shaped iron-based grain, the respective easy axis of magnetocrystalline anisotropy is substantially parallel to the respective longest axis.
[Aspect 13]
A bulk permanent magnet comprising a plurality of workpieces, at least one of the plurality of workpieces comprising the workpiece of any one of aspects 1-12.
[Aspect 14]
14. The bulk permanent magnet of aspect 13, wherein each of the plurality of workpieces comprises iron nitride.
[Aspect 15]
15. An article comprising the bulk permanent magnet of aspect 13 or 14.
[Aspect 16]
16. The article of claim 15, wherein the article comprises an electric motor, a generator, a sensor, an actuator, a component of an automobile, or a component of a wind turbine.
[Aspect 17]
1. A method comprising: casting an iron-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
[Aspect 18]
20. The method of claim 17, wherein casting the material comprising iron comprises casting a material comprising iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one iron nitride phase domain.
[Aspect 19]
18. The method of claim 17, wherein casting the material comprising iron comprises casting a material comprising iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one phase domain having uniaxial magnetic anisotropy.
[Aspect 20]
20. The method of any one of aspects 17-19, wherein casting the iron-containing material in the presence of the applied magnetic field comprises casting the iron-containing material in the presence of the applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one anisotropically shaped iron-based grain, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain has an aspect ratio of about 1.1 to about 50, wherein the aspect ratio is defined as the ratio of a length of a longest dimension to a length of a shortest dimension of an anisotropic grain, and wherein the longest dimension and shortest dimension are substantially orthogonal.
[Aspect 21]
21. The method of aspect 20, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
[Aspect 22]
22. The method of claim 20 or 21, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based grains, the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based grains being oriented substantially parallel to one another.
[Aspect 23]
Aspects 23. The method of any one of aspects 20 to 22, wherein a major axis of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystalline grains is oriented substantially parallel to the direction of the applied magnetic field, and for each anisotropically shaped iron-based crystalline grain, a respective easy axis of magnetocrystalline anisotropy is substantially parallel to its respective longest axis.
[Aspect 24]
Aspect 24. The method of any one of aspects 17-23, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 0.02 T.
[Aspect 25]
Aspect 24. The method of any one of aspects 17-23, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 2.5 T.
[Aspect 26]
Aspect 24. The method of any one of aspects 17-23, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 9 T.
[Aspect 27]
27. The method of any one of aspects 17-26, wherein the applied magnetic field has a gradient of about 0.01 Tesla/meter to about 1000 Tesla/meter.
[Aspect 28]
28. The method of any one of aspects 17 to 27, wherein the material further comprises at least one dopant.
[Aspect 29]
29. The method of claim 28, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
[Aspect 30]
29. The method of claim 28, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
[Aspect 31]
19. The method of embodiment 18, wherein prior to casting, the concentration of nitrogen in the material is from about 8 atomic percent (at.%) to about 9 at.%.
[Aspect 32]
The casting,
heating the iron-containing mixture to form a molten iron-containing mixture; and
cooling the iron-containing molten mixture to form a workpiece;
32. The method of any one of aspects 17 to 31, comprising:
[Aspect 33]
33. The method of claim 32, wherein cooling the molten mixture comprises quenching the molten mixture in at least one of water, ice water, brine, oil, aqueous ammonia, or an amide.
[Aspect 34]
33. The method of claim 32, wherein cooling the molten mixture comprising iron comprises cooling the molten mixture comprising iron between cooling rollers to form a workpiece.
[Aspect 35]
35. The method of any one of aspects 32-34, wherein heating the mixture comprising iron comprises heating the mixture comprising iron in the presence of an applied magnetic field, and cooling the molten mixture comprising iron comprises cooling the molten mixture comprising iron in the presence of an applied magnetic field.
[Aspect 36]
35. The method of any one of aspects 32-34, wherein heating the mixture comprising iron comprises heating the mixture comprising iron in a crucible using a radio frequency furnace.
[Aspect 37]
35. The method of any one of aspects 32-34, wherein heating the iron-containing mixture comprises heating the iron-containing mixture in a cold crucible, wherein the mixture is substantially encapsulated within a coating material.
[Aspect 38]
Aspects 38. The method of any one of aspects 17-37, further comprising compressing the plurality of workpieces to form a bulk material.
[Aspect 39]
39. The method of claim 38, wherein compressing the plurality of workpieces to form the bulk material comprises compressing the plurality of workpieces in the presence of an applied magnetic field to form a bulk material comprising a plurality of iron-based phase domains comprising uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
[Aspect 40]
1. A method comprising: compressing a plurality of workpieces, each workpiece comprising at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy, in the presence of an applied magnetic field to form a bulk material comprising a plurality of iron-based phase domains comprising uniaxial magnetic anisotropy, the applied magnetic field having a strength of at least 0.01 Tesla (T), the applied magnetic field defining a magnetization direction of the bulk material.
[Aspect 41]
41. The method of aspect 40, wherein the at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy comprises at least one α″-Fe 16 N 2 -phase domain.
[Aspect 42]
42. The method of claim 40 or 41, wherein the at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy comprises at least one of a body-centered tetragonal iron phase domain, or a phase domain having a body-centered tetragonal crystal structure and comprising iron and at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al.
[Aspect 43]
43. The method of any one of aspects 40 to 42, wherein the at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy comprises at least one anisotropically shaped iron-based grain, the at least one anisotropically shaped iron-based grain having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of the length of the longest dimension to the length of the shortest dimension, the longest dimension and the shortest dimension being substantially orthogonal.
[Aspect 44]
44. The method of claim 43, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain exhibits a shortest dimension of about 5 nm to about 300 nm.
[Aspect 45]
45. The method of claim 43 or 44, wherein the at least one anisotropically shaped iron-based grain comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based grains, the major axes of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based grains being oriented substantially parallel to one another.
[Aspect 46]
Aspects 46. The method of any one of aspects 43 to 45, wherein a major axis of each of the plurality of anisotropically shaped iron-based crystalline grains is oriented substantially parallel to the direction of an applied magnetic field, and for each anisotropically shaped iron-based crystalline grain, a respective easy axis of magnetocrystalline anisotropy is substantially parallel to its respective longest axis.
[Aspect 47]
Aspect 47. The method of any one of aspects 40-46, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 0.02 T.
[Aspect 48]
Aspect 47. The method of any one of aspects 40-46, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 2.5 T.
[Aspect 49]
Aspect 47. The method of any one of aspects 40-46, wherein the strength of the applied magnetic field is greater than about 9 T.
[Aspect 50]
50. The method of any one of aspects 40-49, wherein the applied magnetic field has a gradient of about 0.01 Tesla/meter to about 1000 Tesla/meter.
[Aspect 51]
Aspects 40-51, wherein at least one of the plurality of workpieces further comprises at least one dopant.
[Aspect 52]
52. The method of claim 51, wherein the at least one dopant comprises at least one of Al, Mn, La, Cr, Co, Ti, Ni, Zn, Zr, Ca, or a rare earth metal.
[Aspect 53]
52. The method of embodiment 51, wherein the at least one dopant comprises at least one of B, C, P, Si, or O.
[Aspect 54]
Aspects 44. The method of any one of aspects 40-53, wherein the applied magnetic field promotes substantially aligning easy axes of at least some of the plurality of workpieces.
[Aspect 55]
Aspects 40-55. The method of any one of aspects 40-54, wherein compressing the plurality of workpieces comprises mixing the plurality of workpieces with at least one of a resin, a wax, or a low melting point metal to form a mixture, and pressing the mixture to form a bulk material.
[Aspect 56]
56. The method of claim 55, wherein pressing the mixture comprises pressing the mixture at a pressure of about 1 MPa to about 100 GPa.
[Aspect 57]
57. The method of claim 55 or 56, wherein pressing the mixture comprises cold pressing the mixture at a temperature of from about 4.2 Kelvin to about 295 Kelvin.
[Aspect 58]
57. The method of claim 55 or 56, wherein pressing the mixture comprises hot pressing the mixture at a temperature of about 295 Kelvin to about 533 Kelvin.
[Aspect 59]
Aspects 59. The method of any one of aspects 55-58, wherein mixing the plurality of workpieces with at least one of a resin, a wax, or a low melting point metal comprises mixing the plurality of workpieces with a low melting point material, the low melting point metal comprising at least one of Zn, Sn, Bi, Ga, Na, or Li.
[Aspect 60]
A method according to any one of aspects 40 to 59, wherein a workpiece of the plurality of workpieces comprises at least one of a powder, a ribbon, or a wire.
[Aspect 61]
Aspects 40-60, further comprising the method of any one of aspects 17-39, wherein the workpiece formed by the method of any one of aspects 17-39 is one of the plurality of workpieces.
[Aspect 62]
An apparatus configured to carry out the method of any one of aspects 17 to 61.
[Aspect 63]
A workpiece formed by the method of any one of aspects 17-39.
[Aspect 64]
A bulk material formed by the method of any one of aspects 40-61.
[Aspect 65]
65. The bulk material of aspect 64, wherein the bulk material is a bulk permanent magnet.
[Aspect 66]
66. The bulk permanent magnet of aspect 65, wherein each of the plurality of workpieces comprises iron nitride.
[Aspect 67]
67. An article comprising the bulk permanent magnet of claim 65 or 66.
[Aspect 68]
68. The article of claim 67, wherein the article constitutes an electric motor, a generator, a sensor, an actuator, an automotive component, or a wind turbine component.
[Aspect 69]
1. A method comprising: casting a material comprising at least one of nickel, iron and cobalt in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one nickel-, iron- or cobalt-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy, wherein the applied magnetic field has a strength of at least about 0.01 Tesla (T).
[Aspect 70]
70. The method of embodiment 69, wherein the metal comprises iron.
[Aspect 71]
71. The method of embodiment 70, wherein casting the iron-containing material comprises casting the iron- and nitrogen-containing material in the presence of an applied magnetic field to form a workpiece comprising at least one iron nitride phase domain.
[Aspect 72]
72. The method of any one of aspects 69-71, wherein casting a material comprising at least one of nickel, iron, or cobalt forms a workpiece comprising at least one of C, B, O, P, Y, Mn, Co, Cr, Si, Zn, or Al in the presence of an applied magnetic field, the workpiece comprising at least one phase domain having uniaxial magnetic anisotropy.
[Aspect 73]
Aspect 73. The method of any one of aspects 69-72, wherein the material further comprises at least one dopant, the at least one dopant comprising at least one of B, C, P, Si, or O.
[Aspect 74]
74. The method of any one of aspects 69-73, further comprising compressing the plurality of work pieces.
[Aspect 75]
75. The method of any one of aspects 69-74, wherein the applied magnetic field has a gradient of about 0.01 Tesla/meter to about 1000 Tesla/meter.
[Aspect 76]
A workpiece formed by the method of any one of aspects 69-75.
[Aspect 77]
77. A bulk material comprising a plurality of workpieces according to aspect 76.
[Aspect 78]
78. The bulk material of aspect 77, wherein the bulk material is a bulk permanent magnet.
[Aspect 79]
79. An article comprising the bulk permanent magnet of claim 78.
[Aspect 80]
80. The article of claim 79, wherein the article constitutes an electric motor, a generator, a sensor, an actuator, an automotive component, or a wind turbine component.
Claims (15)
前記ワークピースは、それぞれ窒化鉄を含む複数の異方的形状の鉄基結晶粒と、一軸磁気異方性を含む少なくとも1つの鉄基相ドメインとを含み、前記異方的形状の鉄基結晶粒の少なくとも1つが約1.1~約50のアスペクト比を成しており、前記アスペクト比は、前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒の最短寸法の長さに対する最長寸法の長さの比として定義され、前記最長寸法と最短寸法は実質的に直交しており、
前記少なくとも1つの異方的形状の鉄基結晶粒の前記最長寸法が一軸磁気異方性の方向と平行であり、
前記ワークピースがさらに少なくとも1種のドーパントを含み、
前記ワークピースは、印加磁場の存在下で鉄及び窒素を含む混合物からキャスティングされたものである、バルク磁性材料。 A bulk magnetic material comprising a plurality of workpieces and a binder,
the workpiece comprises a plurality of anisotropically shaped iron-based grains each comprising iron nitride and at least one iron-based phase domain comprising uniaxial magnetic anisotropy, at least one of the anisotropically shaped iron-based grains having an aspect ratio of about 1.1 to about 50, the aspect ratio being defined as the ratio of a length of a longest dimension of the at least one anisotropically shaped iron-based grain to a length of a shortest dimension thereof, the longest dimension and the shortest dimension being substantially orthogonal;
the longest dimension of the at least one anisotropically shaped iron-based grain is parallel to a direction of uniaxial magnetic anisotropy;
the workpiece further comprises at least one dopant;
The workpiece is a bulk magnetic material cast from a mixture comprising iron and nitrogen in the presence of an applied magnetic field .
複数のワークピースとバインダーとを混合して混合物を形成する工程、
前記混合物に外部磁場を印加する工程、及び
前記混合物を圧縮して前記バルク磁性材料を形成する工程。 10. A method of forming the bulk magnetic material of claim 1 comprising:
mixing a plurality of workpieces with a binder to form a mixture;
applying an external magnetic field to the mixture; and compressing the mixture to form the bulk magnetic material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025107924A JP2025129241A (en) | 2015-01-26 | 2025-06-26 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562107700P | 2015-01-26 | 2015-01-26 | |
| US62/107,700 | 2015-01-26 | ||
| JP2020082221A JP7262783B2 (en) | 2015-01-26 | 2020-05-07 | Applied Magnetic Field Synthesis and Processing of Iron Nitride Magnetic Materials |
| JP2022110749A JP7385313B2 (en) | 2015-01-26 | 2022-07-08 | Applied magnetic field formation and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2023188331A JP7568321B2 (en) | 2015-01-26 | 2023-11-02 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023188331A Division JP7568321B2 (en) | 2015-01-26 | 2023-11-02 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2025107924A Division JP2025129241A (en) | 2015-01-26 | 2025-06-26 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024178427A JP2024178427A (en) | 2024-12-24 |
| JP7708472B2 true JP7708472B2 (en) | 2025-07-15 |
Family
ID=56544114
Family Applications (6)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017539263A Withdrawn JP2018509756A (en) | 2015-01-26 | 2015-07-22 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2020082221A Active JP7262783B2 (en) | 2015-01-26 | 2020-05-07 | Applied Magnetic Field Synthesis and Processing of Iron Nitride Magnetic Materials |
| JP2022110749A Active JP7385313B2 (en) | 2015-01-26 | 2022-07-08 | Applied magnetic field formation and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2023188331A Active JP7568321B2 (en) | 2015-01-26 | 2023-11-02 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2024167450A Active JP7708472B2 (en) | 2015-01-26 | 2024-09-26 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2025107924A Pending JP2025129241A (en) | 2015-01-26 | 2025-06-26 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Family Applications Before (4)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017539263A Withdrawn JP2018509756A (en) | 2015-01-26 | 2015-07-22 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2020082221A Active JP7262783B2 (en) | 2015-01-26 | 2020-05-07 | Applied Magnetic Field Synthesis and Processing of Iron Nitride Magnetic Materials |
| JP2022110749A Active JP7385313B2 (en) | 2015-01-26 | 2022-07-08 | Applied magnetic field formation and processing of iron nitride magnetic materials |
| JP2023188331A Active JP7568321B2 (en) | 2015-01-26 | 2023-11-02 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2025107924A Pending JP2025129241A (en) | 2015-01-26 | 2025-06-26 | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US11302472B2 (en) |
| EP (1) | EP3251130B1 (en) |
| JP (6) | JP2018509756A (en) |
| KR (1) | KR20170109001A (en) |
| CN (1) | CN107408434A (en) |
| AR (1) | AR104767A1 (en) |
| AU (1) | AU2015380371A1 (en) |
| BR (1) | BR112017016054A2 (en) |
| CA (1) | CA2974917A1 (en) |
| IL (1) | IL253609A0 (en) |
| TW (1) | TWI598447B (en) |
| WO (1) | WO2016122712A1 (en) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6085301B2 (en) | 2011-08-17 | 2017-02-22 | リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ | Formation technology of iron nitride permanent magnet and iron nitride permanent magnet |
| WO2014124135A2 (en) | 2013-02-07 | 2014-08-14 | Regents Of The University Of Minnesota | Iron nitride permanent magnet and technique for forming iron nitride permanent magnet |
| KR101821344B1 (en) | 2013-06-27 | 2018-01-23 | 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 미네소타 | Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials |
| CN106165027A (en) | 2014-03-28 | 2016-11-23 | 明尼苏达大学董事会 | Comprise the iron nitride magnetic material of the nano-particle of coating |
| US9994949B2 (en) | 2014-06-30 | 2018-06-12 | Regents Of The University Of Minnesota | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials |
| US10072356B2 (en) | 2014-08-08 | 2018-09-11 | Regents Of The University Of Minnesota | Magnetic material including α″-Fe16(NxZ1-x)2 or a mixture of α″-Fe16Z2 and α″-Fe16N2, where Z includes at least one of C, B, or O |
| EP3178099A4 (en) | 2014-08-08 | 2018-04-18 | Regents of the University of Minnesota | Multilayer iron nitride hard magnetic materials |
| BR112017002464A2 (en) | 2014-08-08 | 2017-12-05 | Univ Minnesota | formation of rigid magnetic materials of iron nitride using chemical vapor deposition or liquid phase epitaxy |
| US10002694B2 (en) | 2014-08-08 | 2018-06-19 | Regents Of The University Of Minnesota | Inductor including alpha″-Fe16Z2 or alpha″-Fe16(NxZ1-x)2, where Z includes at least one of C, B, or O |
| CN107396631A (en) * | 2015-01-26 | 2017-11-24 | 明尼苏达大学董事会 | Iron nitride powder with anisotropic shape |
| CN107408434A (en) | 2015-01-26 | 2017-11-28 | 明尼苏达大学董事会 | Applying a magnetic field synthesizes and processing iron nitride magnetic material |
| US11875934B2 (en) * | 2018-05-28 | 2024-01-16 | Regents Of The University Of Minnesota | Iron-rich permanent magnet |
| US12018386B2 (en) | 2019-10-11 | 2024-06-25 | Regents Of The University Of Minnesota | Magnetic material including α″-Fe16(NxZ1-x)2 or a mixture of α″-Fe16Z2 and α″-Fe16N2, where Z includes at least one of C, B, or O |
| CN110904417B (en) * | 2019-11-18 | 2021-11-02 | 天津大学 | A flexible epitaxial Fe4N film with stress-controlled magnetization and its preparation method |
| JP7764387B2 (en) * | 2020-02-21 | 2025-11-05 | ニロン マグネティクス,インコーポレイティド | Anisotropic iron nitride permanent magnet |
| CN112038082A (en) * | 2020-08-28 | 2020-12-04 | 常州古金磁性材料科技有限公司 | Method for preparing iron-nitrogen magnetic material by using high-pressure nitriding method |
| JP7545281B2 (en) * | 2020-09-30 | 2024-09-04 | 株式会社日立製作所 | Soft magnetic material, manufacturing method thereof and electric motor |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005136015A (en) | 2003-10-29 | 2005-05-26 | Neomax Co Ltd | Method for orienting permanent magnet powder and method for producing permanent magnet |
| JP2009074150A (en) | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Tdk Corp | Magnet manufacturing method |
| JP2012069811A (en) | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Toda Kogyo Corp | Ferromagnetic particle powder, method of manufacturing the same, anisotropic magnet, and bond magnet |
| JP2012253248A (en) | 2011-06-03 | 2012-12-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Iron nitride material and method for manufacturing the same |
| JP2014529682A (en) | 2011-08-17 | 2014-11-13 | リージェンツオブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ | Formation technology of iron nitride permanent magnet and iron nitride permanent magnet |
| WO2014210027A1 (en) | 2013-06-27 | 2014-12-31 | Regents Of The University Of Minnesota | Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04246126A (en) * | 1991-01-30 | 1992-09-02 | Kawasaki Steel Corp | Production of foil having high saturation magnetization |
| FR2784248B1 (en) * | 1998-10-02 | 2000-12-22 | Valeo Equip Electr Moteur | VEHICLE ALTERNATOR WITH GAME RETRACTION ON INTERPOLAR MAGNETS |
| JP2009259402A (en) | 2009-08-11 | 2009-11-05 | Hitachi Maxell Ltd | Magnetic recording medium and magnetic tape cartridge |
| JP5344171B2 (en) | 2009-09-29 | 2013-11-20 | ミネベア株式会社 | Anisotropic rare earth-iron resin magnet |
| CN102893715B (en) | 2010-05-10 | 2015-07-01 | 韩国机械研究院 | Broadband electromagnetic wave absorber and method for manufacturing same |
| JP2012190892A (en) * | 2011-03-09 | 2012-10-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Magnetic substance and method for manufacturing the same |
| US20140132376A1 (en) | 2011-05-18 | 2014-05-15 | The Regents Of The University Of California | Nanostructured high-strength permanent magnets |
| US9607760B2 (en) * | 2012-12-07 | 2017-03-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus for rapidly solidifying liquid in magnetic field and anisotropic rare earth permanent magnet |
| WO2014124135A2 (en) * | 2013-02-07 | 2014-08-14 | Regents Of The University Of Minnesota | Iron nitride permanent magnet and technique for forming iron nitride permanent magnet |
| JP2015008230A (en) * | 2013-06-25 | 2015-01-15 | 住友電気工業株式会社 | Rare earth magnet material, laminated magnet, bonded magnet, compressed magnet, sintered magnet, method for producing rare earth magnet material, method for producing bonded magnet, and method for producing compressed magnet |
| CN107408434A (en) | 2015-01-26 | 2017-11-28 | 明尼苏达大学董事会 | Applying a magnetic field synthesizes and processing iron nitride magnetic material |
-
2015
- 2015-07-22 CN CN201580078257.1A patent/CN107408434A/en not_active Withdrawn
- 2015-07-22 KR KR1020177023882A patent/KR20170109001A/en not_active Withdrawn
- 2015-07-22 US US15/546,407 patent/US11302472B2/en active Active
- 2015-07-22 JP JP2017539263A patent/JP2018509756A/en not_active Withdrawn
- 2015-07-22 EP EP15880599.4A patent/EP3251130B1/en active Active
- 2015-07-22 BR BR112017016054A patent/BR112017016054A2/en not_active Application Discontinuation
- 2015-07-22 AU AU2015380371A patent/AU2015380371A1/en not_active Abandoned
- 2015-07-22 CA CA2974917A patent/CA2974917A1/en not_active Abandoned
- 2015-07-22 WO PCT/US2015/041532 patent/WO2016122712A1/en not_active Ceased
- 2015-07-27 AR ARP150102381A patent/AR104767A1/en unknown
- 2015-07-28 TW TW104124463A patent/TWI598447B/en active
-
2017
- 2017-07-23 IL IL253609A patent/IL253609A0/en unknown
-
2020
- 2020-05-07 JP JP2020082221A patent/JP7262783B2/en active Active
-
2021
- 2021-04-30 US US17/245,641 patent/US11996232B2/en active Active
-
2022
- 2022-07-08 JP JP2022110749A patent/JP7385313B2/en active Active
-
2023
- 2023-11-02 JP JP2023188331A patent/JP7568321B2/en active Active
-
2024
- 2024-04-22 US US18/642,092 patent/US20240290539A1/en active Pending
- 2024-09-26 JP JP2024167450A patent/JP7708472B2/en active Active
-
2025
- 2025-06-26 JP JP2025107924A patent/JP2025129241A/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005136015A (en) | 2003-10-29 | 2005-05-26 | Neomax Co Ltd | Method for orienting permanent magnet powder and method for producing permanent magnet |
| JP2009074150A (en) | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Tdk Corp | Magnet manufacturing method |
| JP2012069811A (en) | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Toda Kogyo Corp | Ferromagnetic particle powder, method of manufacturing the same, anisotropic magnet, and bond magnet |
| JP2012253248A (en) | 2011-06-03 | 2012-12-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Iron nitride material and method for manufacturing the same |
| JP2014529682A (en) | 2011-08-17 | 2014-11-13 | リージェンツオブ ザ ユニバーシティ オブ ミネソタ | Formation technology of iron nitride permanent magnet and iron nitride permanent magnet |
| WO2014210027A1 (en) | 2013-06-27 | 2014-12-31 | Regents Of The University Of Minnesota | Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2024020286A (en) | 2024-02-14 |
| JP7568321B2 (en) | 2024-10-16 |
| CA2974917A1 (en) | 2016-08-04 |
| JP2025129241A (en) | 2025-09-04 |
| TWI598447B (en) | 2017-09-11 |
| JP7262783B2 (en) | 2023-04-24 |
| TW201627508A (en) | 2016-08-01 |
| JP2022164662A (en) | 2022-10-27 |
| US20240290539A1 (en) | 2024-08-29 |
| US20210265111A1 (en) | 2021-08-26 |
| JP7385313B2 (en) | 2023-11-22 |
| WO2016122712A1 (en) | 2016-08-04 |
| US11996232B2 (en) | 2024-05-28 |
| JP2018509756A (en) | 2018-04-05 |
| EP3251130B1 (en) | 2020-07-15 |
| EP3251130A4 (en) | 2018-11-21 |
| CN107408434A (en) | 2017-11-28 |
| US20180025841A1 (en) | 2018-01-25 |
| AR104767A1 (en) | 2017-08-16 |
| JP2024178427A (en) | 2024-12-24 |
| KR20170109001A (en) | 2017-09-27 |
| AU2015380371A1 (en) | 2017-08-17 |
| BR112017016054A2 (en) | 2018-04-03 |
| IL253609A0 (en) | 2017-09-28 |
| EP3251130A1 (en) | 2017-12-06 |
| JP2020145452A (en) | 2020-09-10 |
| US11302472B2 (en) | 2022-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7708472B2 (en) | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials | |
| US11581113B2 (en) | Preservation of strain in iron nitride magnet | |
| US12338536B2 (en) | Applied magnetic field synthesis and processing of iron nitride magnetic materials | |
| CA2916483C (en) | Iron nitride materials and magnets including iron nitride materials | |
| KR101619345B1 (en) | Iron nitride permanent magnet and technique for forming iron nitride permanent magnet | |
| EP3523813B1 (en) | Iron-based nanoparticles and grains | |
| US12573551B2 (en) | Iron-rich permanent magnet |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240926 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240926 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250527 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250626 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7708472 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |